Análise e predição da concentração de clorofila a em reservatórios do semiárido / Bruna Monallize Duarte Moura Guimarães

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL – RECURSOS

HÍDRICOS

BRUNA MONALLIZE DUARTE MOURA GUIMARÃES

ANÁLISE E PREDIÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE CLOROFILA A EM RESERVATÓRIOS DO SEMIÁRIDO

FORTALEZA 2023

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BRUNA MONALLIZE DUARTE MOURA GUIMARÃES

Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Área de concentração:

Recursos Hídricos.

Orientador: Prof. Dr. Iran Eduardo Lima Neto.

FORTALEZA 2023

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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará

Sistema de Bibliotecas

Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

G976a Guimarães, Bruna Monallize Duarte Moura.

Análise e predição da concentração de clorofila a em reservatórios do semiárido / Bruna Monallize Duarte Moura Guimarães. – 2023.

120f. : il. color.

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil: Recursos Hídricos, Fortaleza, 2023.

Orientação: Prof. Dr. Iran Eduardo Lima Neto.

1. Eutrofização. 2. Modelagem matemática. 3. Variabilidade climática. 4. Nutrientes. I. Título.

CDD 627

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BRUNA MONALLIZE DUARTE MOURA GUIMARÃES

Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Área de concentração:

Recursos Hídricos.

Aprovada em: 24/02/2023

BANCA EXAMINADORA

________________________________________________________

Profa. Dra. Vanessa Becker (Membro externo) Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)

________________________________________________________

Prof. Dr. Fernando Bezerra Lopes (Membro Interno) Universidade Federal do Ceará (UFC)

________________________________________________________

Prof. Dr. Iran Eduardo Lima Neto (Orientador) Universidade Federal do Ceará (UFC)

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À minha família.

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AGRADECIMENTOS

À Deus pelo dom da vida e por me guiar durante todo o caminho em que me dediquei a realização desta pesquisa.

Aos meus pais, Fátima e Miguel, que foram

fundamentais para que eu chegasse até aqui, por todo apoio, incentivo durante toda a minha vida, pelo suporte, pelos valores e, principalmente, pelo amor incondicional. Minhas irmãs, Dayanne e Ana Louize, que sempre me fortalecem e me inspiram.

Obrigada por sempre estarem comigo!

Ao meu esposo, Samuel, pelo constante incentivo e paciência durante todo o processo. Agradeço o amor, parceria e por sempre acreditar em mim.

Ao meu orientador, professor Dr. Iran Eduardo Lima Neto pelo ensino, confiança, compreensão e paciência durante todo o processo de desenvolvimento da pesquisa.

Aos amigos Gean e Fernanda, que não tive a oportunidade de conhecer pessoalmente, mas que partilharam, pelo meet, todas as dificuldades dessa caminhada.

Obrigada por terem dividido comigo essa jornada e por estarem sempre à postos quando eu precisei.

Agradeço à Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos do Estado do Ceará (COGERH) por fornecer os dados necessários para a realização deste trabalho.

Aos membros da banca examinadora, Dra. Vanessa Becker e Dr. Fernando Lopes, pelo tempo dedicado e pelas valiosas colaborações e sugestões.

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES), pela concessão da bolsa de estudos.

A todos aqueles que contribuíram, direta ou indiretamente, para o desenvolvimento desta dissertação.

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“Não to mandei eu? Esforça-te e tem bom ânimo; não pasmes, nem te espantes, porque o Senhor , teu Deus, é contigo, por onde quer que andares.” Josué 1:9

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RESUMO

Esta dissertação apresenta uma avaliação da dinâmica de clorofila a (Cla) em reservatórios do semiárido brasileiro, buscando entender os fatores que influenciam a sua produção em reservatórios tropicais e o desenvolvimento de modelos simples capazes de prever satisfatoriamente a concentração e picos de Cla. Primeiramente, foram analisados os coeficientes de determinação (R²) entre o fósforo total (PT) e a Cla através de regressão linear simples, verificando a performance estatística dos modelos gerados para as bacias hidrográficas e reservatórios. Os resultados mostraram que, mesmo seguindo a tendência de curvas clássicas, o PT não é um preditor satisfatório da Cla quando considerado isoladamente, sendo os R² influenciados pelas diferentes bacias, a variabilidade volumétrica e as concentrações de Cla. A variância dos R² reservatórios de diferentes portes e a estado trófico com relação ao fósforo total não foi significante. Em seguida, a mesma metodologia foi aplicada ao nitrogênio total (NT), verificando-se que este é melhor preditor da Cla do que o PT, sendo os R² influenciados principalmente pelas bacias hidrográficas, variação volumétrica e pela mudança nos níveis de estado trófico. Os resultados indicaram ainda que, mesmo em reservatórios com limitação por PT, o NT pode ser um preditor satisfatório da clorofila a, indicando possível colimitação entre os nutrientes. Finalmente, no último estudo realizado, determinou-se as variações espaço- temporais na concentração de clorofila a utilizando modelos que integram variáveis hidroclimáticas e nutrientes através de modelos simples para prever a dinâmica temporal e os picos de concentração de Cla. As equações demonstram diferentes respostas da Cla às variáveis de entrada conforme as condições às quais os reservatórios podem estar submetidos, a citar:

ressuspensão de sedimento, estratificação da coluna d’água, ação do vento, etc. A aplicação do modelo aos dois maiores reservatórios estudados mostrou maior sensibilidade da Cla às mudanças de classes de usos da água quanto às variações de NT, seguidas por PT, volume do reservatório e precipitação diária. A combinação dos estudos apresentados fornece um amplo avanço na compreensão da dinâmica da clorofila a em reservatórios tropicais e o efeito combinado dos nutrientes e variáveis hidroclimáticas na produção de cianobactérias nos reservatórios pode promover um gerenciamento mais eficiente do controle da eutrofização.

Palavras-chave: Eutrofização; Modelagem matemática; Variabilidade climática; Nutrientes.

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ABSTRACT

This dissertation presents an evaluation of the dynamics of chlorophyll-a (Chl-a) in reservoirs of the Brazilian semi-arid region, aiming to understand the factors that influence its production in tropical reservoirs and the development of simple models capable of satisfactorily predicting Chl-a concentration and blooms. First, the correlations between total phosphorus (TP) and Chl- a were analyzed through simple linear regression, verifying the statistical performance of the models developed for the hydrographic basins and the reservoirs. The results showed that, even following the trend of classic curves, TP is not a satisfactory predictor of Chl-a when taken as the only input variable. The correlations were influenced by different uses and occupations of the watershed, volumetric variability and Chl-a concentrations. The influence of reservoir size and TP concentration were not significant in the studied reservoirs. Then, the same methodology was applied to total nitrogen (TN), confirming that it is a better predictor of Chl- a than TP, with the correlations being influenced mainly by the different watersheds, by the volumetric variation and by the change at trophic state levels. The results also indicated that, even in TP limited reservoirs, TN can be a satisfactory predictor of chlorophyll-a, indicating possible co-limitation between the nutrients. Finally, in the last study carried out, space-time variations in chlorophyll-a concentration were determined using models that integrate hydroclimatic and nutrient variables through simple models to predict temporal dynamics and Chl-a concentration blooms. The equations showed different Chl-a responses to the input parameters according to the conditions to which the reservoirs may be submitted, such as:

sediment resuspension, water column stratification, wind action, etc. The application of the model to the two largest reservoirs studied showed greater sensitivity of Chl-a to changes in water use classes in terms of variations in TN, followed by TP, reservoir volume and daily precipitation. The combination of the presented studies provides a broad advance in understanding the dynamics of chlorophyll-a in tropical reservoirs and the combined effect of nutrients and hydroclimatic variables on algae production in reservoirs can promote a more efficient management of eutrophication control.

Keywords: Eutrophication; Mathematical modeling; Climate variability; Nutrients.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Distribuição dos reservatórios monitorados nas bacias hidrográficas. ... 20 Figura 2 – Variação do fósforo total (A) e clorofila a (B) nas doze bacias hidrográficas do Ceará,

em escala linear-log. Os círculos no gráfico indicam os outliers, a linha interna a mediana e o asterisco a média. ... 24 Figura 3 – Variação da concentração média de clorofila a (A), fósforo total (B) em comparação

ao percentual volumétrico durante os períodos úmido (U) e seco (S). ... 24 Figura 4 – Ajuste entre PT e Cla nas bacias hidrográficas estudadas e comparação com modelos

clássicos propostos na literatura. ... 26 Figura 5 – Percentual da classificação estatística dos R² por bacia hidrográfica ... 28 Figura 6 – Variação dos coeficientes de determinação médios conforme o porte do reservatório ... 29 Figura 7 – Distribuição do coeficiente de determinação médios entre PT e Cla conforme o

coeficiente de variação volumétrica ... 30 Figura 8 – Dinâmica dos R² médios entre PT e Cla conforme o estado trófico classificado

através do fósforo total (A) e clorofila a (B). ... 31 Figura 9 – Localização dos reservatórios monitorados ... 37 Figura 10 – Variação do nitrogênio total (A) e clorofila a (B) nas doze bacias hidrográficas do

Ceará, em escala linear-log. Os círculos no gráfico indicam os outliers, a linha interna a mediana e o x a média. ... 40 Figura 11 – Variação do percentual volumétrico e concentrações médias da clorofila a (A) e

nitrogênio total (B) nos períodos úmido (2008-2012) e seco (2013 -2021) nas bacias monitoradas... 41 Figura 12 – Comparação entre os coeficientes de determinação entre NT e Cla nas doze bacias

estudadas e modelos clássicos sugeridos na literatura...43 Figura 13 – Desempenho estatístico dos coeficientes de determinação entre nitrogênio e

clorofila a nas bacias hidrográficas em estudo. ... 45 Figura 14 – Dinâmica dos coeficientes de determinação entre e NT e Cla conforme o porte do

reservatório (A) e o coeficiente de variabilidade volumétrica (B) ... 46 Figura 15 – Relação entre a razão NT:PT e o coeficiente de determinação entre NT e clorofila

a nos dados monitorados. ... 49

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Figura 16 – Mapa de localização geográfica da área de estudo (estado do Ceará, Brasil) e os pontos de coleta dos dados disponibilizados pela Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos do Ceará (COGERH) para os reservatórios em estudo. ... 54 Figura 17 – Enquadramento das médias de NT (A), PT (B), Cla (C), V (D) e P (E) nas regiões

hidrográficas em estudo durante os períodos P1 (2008-2012), P2 (2013 – 2017) e P3 (2018 – 2021), conforme valores adotados na Tabela 10. ... 60 Figura 18 – Variação Temporal do Nitrogênio Total (A), Fósforo Total (B), Clorofila a (C),

Percentual Volumétrico (D) e Precipitação diária (E) para os reservatórios estratégicos Castanhão (MJ) e Orós (AJ) nos períodos P1 (2008-2012), P2 (2013 – 2017) e P3 (2018 – 2021) ... 62 Figura 19 – Comparação entre a clorofila a medida e estimada através das equações empíricas

para os reservatórios de maior capacidade de cada bacia hidrográfica analisada. 69 Figura 20 – Resultados mais desfavoráveis (Cenário A) e favoráveis (Cenário B) com relação

a concentração de clorofila a estimada através das equações empíricas para os reservatórios estratégicos Castanhão/MJ e Orós/AJ ... 72

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Descrição dos reservatórios monitorados e quantitativo de amostras por bacia

hidrográfica. ... 20

Tabela 2 – Intervalos de classificação do estado trófico adotados. ... 23

Tabela 3 – Desempenho estatístico dos reservatórios estudados ... 26

Tabela 4 – Análise estatística dos coeficientes de determinação por bacia hidrográfica ... 28

Tabela 5 – Estatística dos coeficientes de determinação entre PT e Cla conforme estado trófico. ... 32

Tabela 6 – Descrição da quantidade de reservatórios e amostras monitorados e capacidade volumétrica por bacia hidrográfica estudada. ... 37

Tabela 7 – Desempenho estatístico dos reservatórios estudados ... 43

Tabela 8 – Análise estatística dos R² entre NT e Cla por bacia hidrográfica em estudo. ... 46

Tabela 9 – Análise estatística dos coeficientes de determinação entre NT e Cla conforme o estado trófico ... 48

Tabela 10 – Classes de enquadramento adotadas com base nos valores de referência sugeridos pela CONAMA 357 para Cla, NT, PT em ambientes lênticos. Os limites de precipitação foram definidos com base nos valores máximos e mínimos observados na amostra. ... 56

Tabela 11 – Coeficientes de determinação (R²) médios resultantes da regressão linear simples entre Cla e NT, PT, V e P. Equações empíricas desenvolvidas e respectivas métricas de avaliação para os reservatórios de maior capacidade de cada bacia hidrográfica em estudo. ... 63

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO GERAL ... 13

1.1 Organização da dissertação ... 14

2 OBJETIVOS... 16

2.1 Objetivo geral ... 16

2.2 Objetivos específicos ... 16

3 PARTE I: “ANÁLISE DAS RELAÇÕES ENTRE FÓSFORO TOTAL E CLOROFILA A EM RESERVATÓRIOS DO SEMIÁRIDO TROPICAL”... 17

3.1 Introdução ... 17

3.2 Metodologia ... 19

3.2.1 Área de estudo e obtenção dos dados da pesquisa ... 19

3.2.2 Análise limnológica e desempenho dos modelos de regressão linear ... 21

3.3 Resultados e discussão ... 23

3.3.1 Modelos de regressão linear simples ... 25

3.4 Conclusão ... 32

4 PARTE II: “ANÁLISE DAS RELAÇÕES ENTRE NITROGÊNIO TOTAL E CLOROFILA A EM RESERVATÓRIOS DO SEMIÁRIDO TROPICAL”... 34

4.2.1 Local de estudo e obtenção dos dados ... 36

4.3 Análise dos dados e modelos de regressão simples ... 38

4.4.1 Caracterização limnológica e espaço-temporal das variáveis ... 39

4.4.2 Predição da clorofila a e desempenho dos modelos de regressão simples ... 42

4.5 Conclusão ... 49

5 PARTE III: “PREDIÇÃO DE CLOROFILA EM RESERVATÓRIOS DO SEMIÁRIDO TROPICAL EM FUNÇÃO DA VARIABILIDADE HIDROCLIMÁTICA E DA QUALIDADE DA ÁGUA” ... 51

5.2.1 Local de estudo e obtenção dos dados ... 54

5.2.2 Análise espaço-temporal dos parâmetros ... 55

5.2.3 Equações Empíricas... 56

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5.2.4 Performance do modelo ... 57

5.2.5 Análise de Sensibilidade e Aplicação dos Resultados ... 57

5.3.1 Análise limnológica e espaço-temporal das variáveis ... 58

5.3.2 Performance dos modelos de regressão simples ... 62

5.3.3 Modelagem da clorofila a e predição de picos de concentração ... 65

5.3.4 Análise de sensibilidade e avaliação de cenários de melhoria de qualidade da água ... 70

5.4 Conclusão ... 73

6 CONCLUSÃO GERAL... 76

REFERÊNCIAS ... 78

APÊNDICE A – CURVAS E GRÁFICOS SUPLEMENTARES ... 96

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1 INTRODUÇÃO GERAL

A eutrofização é um problema global recorrente em lagos e reservatórios, sendo intensificada em ambientes acometidos por grande variabilidade climática espaço-temporal, como é o caso da região semiárida do Brasil. Nessa região, apesar de os reservatórios superficiais representarem a fonte principal de abastecimento durante a maior parte do ano, são mais suscetíveis aos processos de eutrofização devido à grande variação de nível, longos períodos de baixa recarga e às altas taxas de evaporação a que estão submetidos (BARROS et al., 2020; SILVA et al., 2020; ROCHA; LIMA NETO, 2022).

Dentre outros efeitos adversos, como a deterioração da qualidade da água para uso humano, limitação do uso recreativo e esgotamento do oxigênio dissolvido, a eutrofização promove a proliferação de cianobactérias potencialmente produtoras de toxinas nocivas à saúde humana. O crescimento descontrolado dessas algas resulta em um aumento no custo de tratamento da água e, consequentemente, põe em risco o seu uso (GELETU et al., 2023). Em ambientes aquáticos, o fitoplâncton é o principal produtor primário e, como a clorofila a é um indicador fundamental da abundância do fitoplâncton (VOLLENWEIDER, 1970), tem sido comumente usada para estimar a biomassa de algas e níveis de eutrofização em lagos e reservatórios em todo o mundo (MOAL et al., 2019; SHIN et al., 2020).

No entanto, a concentração de clorofila a no sistema aquático depende de uma série de variáveis, incluindo disponibilidade de nutrientes, qualidade e quantidade de luz, temperatura, propriedades físico-químicas da massa de água bem como interações entre as características físicas, químicas e biológicas do sistema no qual se insere (KIM et al., 2022), dificultando o entendimento das complexas relações não lineares entre a clorofila a e os múltiplos fatores que a influenciam.

Nesse contexto, apesar de estudos anteriores terem considerado diferentes metodologias, incluindo métodos complexos como inteligência artificial e sensoriamento remoto, para prever as concentrações de clorofila a (resultantes de flutuações climáticas, poluição desenfreada, uso e ocupação do solo, etc.) muitas vezes essas não são aplicáveis devido à quantidade significativa de variáveis de entrada que exigem (dados meteorológicos, topográficos, hidrológicos e de qualidade da água), o que dificulta o seu uso em regiões com escassez de dados, como o Nordeste brasileiro.

Sendo assim, desenvolver modelos empíricos simples que possam ser usados para entender a interação e o comportamento dos fatores envolvidos na produção primária é essencial para fornecer as ferramentas necessárias para monitoramento e gerenciamento de

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reservatórios em regiões tropicais semiáridas, em que a variabilidade climática implica em mecanismos mais complexos por trás da eutrofização, dificultando a previsão de Cla.

1.1 Organização da dissertação

Esta dissertação é composta por três contribuições sobre a modelagem da clorofila a através de métodos empíricos simples em reservatórios tropicais do Nordeste brasileiro. Cada contribuição é apresentada em um capítulo separado, incluindo: I) Análise das relações entre fósforo total e clorofila a em reservatórios do semiárido tropical, II) Análise das relações entre nitrogênio total e clorofila a em reservatórios do semiárido tropical e III) Predição de clorofila em reservatórios do semiárido tropical em função da variabilidade hidroclimática e da qualidade da água. Nos três estudos, visando entender a complexidade entre os fatores associados à previsão de clorofila a nesses reservatórios, o mesmo banco de dados foi utilizado. No entanto, o número de amostras em cada contribuição difere devido à disponibilidade de dados válidos de cada variável de entrada analisada.

A Parte I investiga a dinâmica da relação entre fósforo total (PT) e clorofila a (Cla) em 155 reservatórios (4596 conjuntos de amostras) localizados no estado do Ceará, Nordeste brasileiro, durante os períodos úmido e seco nos últimos 13 anos. O objetivo principal deste estudo foi analisar os fatores que influenciam o padrão e a dispersão dos coeficientes de determinação de Cla e PT, investigando se diferentes bacias hidrográficas, variabilidade volumétrica, porte do reservatório e o estado trófico dos reservatórios (considerando as concentrações de PT e Cla) podem alterar a performance da predição da Cla a partir do PT.

A Parte II, de forma semelhante, avalia a capacidade preditiva do nitrogênio total (NT) através de modelos de regressão lineares simples entre NT e Cla em 155 reservatórios tropicais semiáridos (4315 conjuntos de amostras), em períodos úmidos e secos de 2008 a 2021, compreendendo os possíveis fatores que influenciam a performance dos modelos considerando:

a bacia hidrográfica, porte do reservatório, variabilidade volumétrica, estado trófico do reservatório e o nutriente limitante.

A Parte III propõe modelos que combinam variáveis hidroclimáticas e nutrientes para previsão da Cla e picos de concentração através de equações empíricas simples em 150 reservatórios tropicais (3835 conjuntos de amostras). Os principais objetivos deste estudo foram caracterizar a variabilidade espaço-temporal dos parâmetros, identificar a relevância de cada variável de entrada na dinâmica de Cla, definir as variáveis que melhor descrevem os picos de concentração e simular cenários de mudança da qualidade de água utilizando os modelos

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empíricos desenvolvidos para predição de Cla. Desse modo, a organização do trabalho foi feita em seis capítulos:

1. Introdução geral;

2. Objetivos gerais e específicos;

3. Parte I: “Análisedas relações entre fósforo total e clorofila a em reservatórios do semiárido tropical”;

4. Parte II: “Análise das relações entre nitrogênio total e clorofila a em reservatórios do semiárido tropical”;

5. Parte III: “Predição de clorofila em reservatórios do semiárido tropical em função da variabilidade hidroclimática e da qualidade da água”;

6. Conclusão geral.

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2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo geral

Entender os fatores preditivos que influenciam a produção de biomassa algal em reservatórios tropicais semiáridos e desenvolver modelos simples capazes de prever satisfatoriamente a concentração de clorofila a.

2.2 Objetivos específicos

a) Caracterizar a variabilidade espaço-temporal dos parâmetros estudados durante períodos úmidos e secos;

b) Entender quais fatores mais influenciam a predição de clorofila a a partir do fósforo total;

c) Avaliar a capacidade preditiva do nitrogênio total identificando os fatores que mais a influenciam;

d) Entender o efeito combinado dos nutrientes e variáveis hidroclimáticas na produção de biomassa algal nos reservatórios;

e) Identificar a relevância de cada parâmetro na dinâmica de Cla e entender quais melhor descrevem os picos de concentração;

f) Simular cenários de mudança de classes de enquadramento da qualidade da água e variabilidade hidroclimática que possam afetar as concentrações de clorofila em reservatórios estratégicos.

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3 PARTE I: “ANÁLISE DAS RELAÇÕES ENTRE FÓSFORO TOTAL E CLOROFILA A EM RESERVATÓRIOS DO SEMIÁRIDO TROPICAL”

RESUMO

Reservatórios em todo o mundo são susceptíveis à degradação da qualidade da água devido ao aumento da produção primária, sendo a necessidade de entender os fatores que a influenciam uma questão fundamental para o controle da eutrofização. O principal objetivo deste trabalho foi analisar o ajuste entre o fósforo total (PT) e a clorofila a (Cla) em 155 reservatórios do estado do Ceará, Brasil. As características limnológicas dos reservatórios foram avaliadas através de análise estatística dos dados obtidos através do levantamento do histórico de monitoramento desses parâmetros. A relação entre PT e Cla foi analisada através de ajustes simples, utilizando como métricas de avaliação de desempenho o coeficiente de determinação (R²) e seu desempenho estatístico. Posteriormente, investigou-se como a dinâmica desses ajustes podem ser influenciados com relação à bacia hidrográfica, ao porte do reservatório, ao estado trófico (com relação à concentração da Cla e PT) e o coeficiente de variabilidade volumétrica. De forma geral, os ajustes obtidos resultaram em modelos insatisfatórios (R²<0,4) para maioria dos reservatórios (n=115). Esses modelos, apesar de insatisfatórios, seguem as tendências de modelos literários clássicos, indicando que na maioria das bacias a disponibilidade de fósforo total na coluna d’água favorece o aumento da concentração de Cla. A análise dos fatores que influenciam o padrão e a dispersão dos ajustes entre Cla e PT indicou que a performance dos R² está relacionada às diferentes bacias hidrográficas, a variabilidade volumétrica e as concentrações de Cla. A variância entre os R² de reservatórios de diferentes portes e estados tróficos conforme a concentração de PT não foi significativa nos ajustes observados.

Palavras-Chave: nutrientes, semiárido, eutrofização, qualidade da água.

3.1 Introdução

A eutrofização artificial é considerada um dos problemas de qualidade da água mais difundidos no mundo (SCHINDLER, 2012; CRUZ et al., 2019; SHUVO et al., 2021). Esse processo é resultante do acúmulo excessivo de nutrientes e suas consequências incluem alta produtividade primária, degradação progressiva do ecossistema aquático, depleção de oxigênio, diminuição da transparência da água, aumento da turbidez e perda do equilíbrio aquático (KOLZAU et al., 2014; SANTOS; SILVA; BECKER, 2021). No Brasil, processos acelerados

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de eutrofização têm sido identificados em reservatórios de usos múltiplos e potencializados, primariamente, pelos lançamentos de nutrientes em corpos hídricos, urbanização e variações de volume decorrentes de períodos de escassez hídrica, principalmente no semiárido (BRASIL et al., 2016; PACHECO; LIMA NETO, 2017; FIGUEIREDO; BECKER, 2018).

Os nutrientes, como fósforo e nitrogênio, há muito são reconhecidos como um fator primário que influencia a qualidade da água, sendo o fósforo total (PT) geralmente visto como o principal nutriente limitante do crescimento do fitoplâncton e da concentração de clorofila a (Cla) em lagos (SHUVO et al., 2021; LIANG et al., 2023). Por causa disso, as relações estimadas empiricamente entre PT e Cla têm sido amplamente utilizadas para desenvolver bases para o gerenciamento de metas de manejo para concentrações de PT e regulação do estado trófico (ROCHA; MESQUITA; LIMA NETO, 2019; YUAN; JONES, 2020; QUINLAN et al., 2021). Historicamente, os modelos empíricos de Cla foram inicialmente obtidos a partir de modelos de regressão linear aplicados a uma ampla gama de lagos temperados (DILLON;

RIGLER, 1974; JONES; BACHMANN, 1976; CARLSON, 1977) sendo relatados correlações semelhantes entre os estudos. Ao longo do tempo, diversos estudos avaliaram os limites de aplicabilidade desses resultados à diferentes regiões, tipos de lagos e reservatórios, verificando- se que a variabilidade na relação entre PT e Cla pode ser influenciada por uma diversidade de fatores morfológicos e ecológicos (PRAIRIE; DUARTE; KALFF, 1989; MCCAULEY;

DOWNING; WATSON, 2011; YUAN; JONES, 2020; WIEGAND et al., 2020).

Quinlan et al. (2021) utilizaram um conjunto de 3.874 lagos distribuídos em 47 países em diversas regiões para determinar a natureza da dinâmica entre PT e Cla explorando as variáveis de maior influência, levando em consideração as características morfométricas da paisagem, do lago, limitação de nutrientes e temperatura do ar. Do mesmo modo, Rocha, Mesquita e Lima Neto (2019) analisaram a relação entre os nutrientes PT e NT e a Cla em 35 açudes cearenses, obtendo modelos com capacidade preditiva satisfatória para o PT. Nesse sentido, estudos têm sido amplamente empregados para a predição da Cla através do PT em diferentes cenários: de variação espacial (FILAZZOLA et al., 2020; YUAN; JONES, 2020;

MAMUN; JARGAL; AN, 2022), sazonal (ROCHA JUNIOR et al., 2018; SHUVO et al., 2021;

LIANG et al., 2023), características morfométricas (PRIDMORE; VANT; RUTHERFORD, 1985; WOELMER et al., 2016), entre outros parâmetros (FILSTRUP et al., 2014;

HENNEMANN; PETRUCIO, 2016; MOLINA-NAVARRO et al., 2014; TIAN et al., 2017).

Desse modo, embora a carga de entrada de PT em reservatórios tropicais e os impactos das mudanças climáticas na qualidade da água tenham sido amplamente explorados em reservatórios tropicais (MESQUITA et al., 2020; RAULINO; SILVEIRA; LIMA NETO, 2021;

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ROCHA; LIMA NETO, 2021a, 2021b, 2022) a disponibilidade de pesquisas que avaliem a capacidade preditiva do PT através de modelos de regressão simples em larga escala ainda é escassa. Por conseguinte, como compreender o papel do fósforo é particularmente importante devido às atuais mudanças ambientais e declínios na qualidade da água associados a aumentos na eutrofização, este trabalho possui como objetivo principal avaliar coeficientes de determinação entre PT e Cla em reservatórios tropicais semiáridos, analisando a capacidade preditiva do PT e identificando os fatores que influenciam na previsibilidade da Cla.

3.2 Metodologia

3.2.1 Área de estudo e obtenção dos dados da pesquisa

O estado do Ceará possui uma área territorial de 150 km², com 175 dos seus 184 municípios (95%) inseridos na região semiárida do Nordeste é o estado que possui a maior parte de seu território inserido nessa região (BRASIL, 2021). Nessa região, as precipitações, que possuem uma distribuição espaço-temporal irregular, concentram-se entre os meses de fevereiro e maio. Devido às secas recorrentes e à temperatura média anual elevada, (aproximadamente 31 °C), a região apresenta, na maior parte do ano, balanço hídrico negativo, com precipitações anuais médias em torno de 900 mm/ano e elevadas taxas de evaporação potencial (podendo chegar a mais de 2.000 mm/ano) (ARANHA et al., 2022; FUNCEME, 2022).

A disponibilidade hídrica para atender a população, cerca de 9 milhões de habitantes, é basicamente através dos estoques acumulados em reservatórios superficiais (SOUZA et al., 2017). Atualmente, o estado do Ceará administra uma rede de reservatórios com capacidade total de acumulação de 18.674 hm³ (CEARÁ, 2021a). Apesar da sua importância estratégica, esses reservatórios são sujeitos a longos períodos de afluências baixas ou nulas, alta radiação solar e intensa atividade antrópica em suas bacias, o que contribui para acúmulo intenso de nutrientes, tornando-os mais vulneráveis à eutrofização (BARROS, 2019).

Para a obtenção dos dados da pesquisa, foi realizado levantamento do histórico de monitoramento da qualidade da água e as medições de volume de 155 reservatórios localizados no estado do Ceará, através do Portal Hidrológico do Ceará, desenvolvido pela Secretaria dos Recursos Hídricos do Estado do Ceará (SRH), a Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos (FUNCEME) e a Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos do Estado do Ceará (COGERH), entre os anos de 2008 e 2021 (CEARÁ, 2021a). A frequência com que são realizadas as coletas e a quantidade de pontos monitorados dentro de cada corpo hídrico

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variam conforme o porte e importância estratégica de cada açude, podendo a frequência ser mensal, trimestral ou semestral, com número de pontos variando de 1 a 13, com 0,3 m de profundidade e distados 26 km entre si. As análises podem ser realizadas in loco através de aparelhos portáteis ou as amostras coletadas encaminhadas aos laboratórios responsáveis.

Foram selecionadas as amostras que apresentavam dados simultâneos de fósforo total e clorofila a e apenas os reservatórios com número de coletas superior a 10, totalizando 4596 conjuntos de amostra de em 155 reservatórios (Figura 1) distribuídos nas 12 bacias hidrográficas do Estado do Ceará (Tabela 1).

Figura 1 – Distribuição dos reservatórios monitorados nas bacias hidrográficas.

Fonte: Elaborado pela autora.

Tabela 1 – Descrição dos reservatórios monitorados e quantitativo de amostras por bacia hidrográfica (Continua).

Bacia Reservatórios Capac.

(hm³) n Acaraú

Acaraú Mirim, Araras, Arrebita, Ayres de Sousa, Bonito, Carão, Carmina, Diamantino II, Edson Queiroz, Farias de Sousa, Forquilha, Jatobá II, Jenipapo, São Vicente, Sobral, Taquara.

1737.46 465

Alto Jaguaribe

Arneiroz II, Benguê, Broco, Caldeirões, Canoas, Do Coronel, Facundo, Faé, Favelas, Forquilha II, João Luís, Mamoeiro, Monte Belo, Muquém, Orós, Parambu, Pau Preto, Poço da Pedra, Quincoé, Rivaldo de Carvalho, Trici, Trussu, Valério, Várzea do Boi.

2768.58 639

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Tabela 1 – Descrição dos reservatórios monitorados e quantitativo de amostras por bacia hidrográfica (Conclusão).

Bacia Reservatórios Capac. (hm³) n

Baixo Jaguaribe Santo Antônio de Russas 24 27

Banabuiú

Banabuiú, Capitão Mor, Cedro, Cipoada, Curral Velho, Fogareiro, Jatobá, Mons. Tabosa, Patu, Pedras Brancas, Pirabibu, Poço do Barro, Quixeramobim, São José I, São José II, Serafim Dias, Trapiá II, Umari, Vieirão.

2755.32 531

Coreaú Angicos, Diamante, Gangorra, Itaúna, Martinópole,

Premuoca, Trapiá III, Tucunduba, Várzea da Volta. 283.64 288 Médio Jaguaribe

Adauto Bezerra, Canafístula, Castanhão, Ema , Figueiredo, Jenipapeiro, Joaquim Távora, Madeiro, Nova Floresta, Potiretama, Riacho da Serra, Riacho do Sangue, Santa Maria, Santo Antônio, Tigre.

7373.99 379

Metropolitana

Acarape do Meio, Amanary, Aracoiaba, Batente, Castro, Catucinzenta, Cauhipe, Cocó, Gavião, Germinal, Itapebussu, Macacos, Malcozinhado, Maranguapinho, Pacajus, Pacoti, Penedo, Pesqueiro, Pompeu Sobrinho, Riachão, Sítios Novos, Tijuquinha.

1383.75 732

Salgado

Atalho, Cachoeira, Gomes, Jenipapeiro II, Junco, Lima Campos, Manoel Balbino, Olho d'Água, Prazeres, Quixabinha, Rosário, São Domingos II, Tatajuba, Thomás Osterne, Ubaldinho.

452.312 207

Serra da Ibiapaba Jaburu I 140,33 43

Sertão de Crateús Flor do Campo, Jaburu II, Realejo, São José III e

Sucesso. 436.04 281

Total 18599.122 4596

Fonte: Ceará (2021a)

3.2.2 Análise limnológica e desempenho dos modelos de regressão linear

A avaliação limnológica dos dados foi realizada através de estatística descritiva (média, desvio padrão, mínimo e máximo) das concentrações de fósforo total, clorofila a e percentual volumétrico. Para avaliar a variabilidade do fósforo total e clorofila a, a análise limnológica dos dados foi realizada considerando a amostra como um todo, agrupando os dados por reservatório e avaliando a variação temporal das concentrações médias por bacia hidrográfica em períodos com volumes de acumulação distintos. Para avaliar a variabilidade do fósforo total e clorofila a com relação ao percentual de volume disponível no reservatório, assumiu-se como período úmido o intervalo entre 2008 e 2012 e os anos de 2013 a 2021, como período seco, em função da situação volumétrica da maioria das bacias. Segundo Araújo e

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Bronstert (2016) e Wiegand et al. (2021), devido ao longo período de seca enfrentado no estado do Ceará, em decorrência das precipitações abaixo da média, percentuais volumétricos inferiores a 50% foram registrados para a maioria das bacias hidrográficas do estado a partir do ano de 2012.

Para determinar o ajuste entre o fósforo total e a clorofila a, o coeficiente de determinação (R²) foi obtido através de regressão linear simples entre todo o conjunto de dados, entre os dados de cada bacia hidrográfica e para cada reservatório em estudo no software Microsoft Excel®. Os modelos das bacias hidrográficas foram comparados às curvas literárias clássicas propostas por Bartsch e Gakstatter (1978), Rast e Lee (1978) e Dillon e Rigler (1974).

Os resultados foram classificados segundo os critérios de avaliação de desempenho estatístico para o fósforo total recomendadas por Moriasi et al. (2015) em quatro grupos: Muito Bom (R²>0,8), Bom (0,65<R²≤0,8), Satisfatório (0,4<R²≤0,65) e Insatisfatório (R²≤0,4). A variabilidade do desempenho do coeficiente de determinação nos reservatórios foi avaliada com relação a variância entre os grupos: bacia hidrográfica, porte do reservatório, ao coeficiente de variação do volume do reservatório (CV) e a índices de estado trófico. Para cada grupo de classificação adotado, o teste de normalidade de Shapiro-Wilk foi empregado para verificar a normalidade entre os dados. Como a maioria dos testes entre os subgrupos não seguiu uma distribuição normal, a análise da variância entre os grupos foi realizada utilizando a análise não- paramétrica de Kruskall-Wallis com teste de significância individual (post hoc) de Dunn, considerando como significantes as análises em que p < 0,05.

Com relação a classificação da bacia hidrográfica, os açudes foram divididos conforme a bacia hidrográfica a qual pertencem (Tabela 1). Quanto ao porte do reservatório, os coeficientes de determinação foram avaliados para quatro grupos, subdivididos em:

Estratégicos (>500hm³), Grande Porte (100 a 500 hm³), Médio Porte (10 a 100 hm³) e Pequeno Porte (1 a 10 hm³), conforme a capacidade de projeto. Os reservatórios foram também classificados com relação ao coeficiente de variabilidade do percentual volumétrico anual (CV), obtido através da relação entre o desvio padrão e a média dos volumes percentuais médios entre os anos monitorados para cada reservatório, conforme o limite mínimo e máximo de variabilidade observado nos intervalos em: Muito Alto (CV>1,2), Alto (0,8< CV≤1,2), Médio (0,4< CV≤1,2) e Pequeno (CV≤0,4).

Para avaliar a influência do índice de estado trófico nos ajustes entre nitrogênio total e clorofila a, a ocorrência de diferenças significativas entre o R² de reservatórios com diferentes níveis tróficos foi investigada. Neste estudo, a classificação do nível de trofia dos

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reservatórios se deu através dos limites de classificação sugeridos por Cunha et al. (2013) (Tabela 2): baseado na concentração média de clorofila a e fósforo total.

Tabela 2 – Intervalos de classificação do estado trófico adotados.

Estado Trófico Fósforo Total (mg.L^-1) Clorofila-a (μg.L^-1) Ultra-oligotrófico PT≤0,0159 Cla≤2,0

Oligotrófico 0,016 < PT < 0,0238 2,1 < Cla≤3,9 Mesotrófico 0,0239 < PT≤0,0367 4,0 < Cla≤10 Eutrófico 0,0368 < PT≤0,0637 10,1 < Cla≤20,2 Super-Eutrófico 0,0638< PT≤0,0776 20,3 < Cla < 27,1 Hiper-Eutrófico PT > 0,0776 Cla > 27,2

3.3 Resultados e discussão

Foram obtidas concentrações de Cla e PT para todos os dados observados nos 155 reservatórios monitorados distribuídos nas 12 bacias hidrográficas do estado do Ceará. Em todos os reservatórios, a concentração média de PT foi de 0,125 mg.L^-1±0,188 (média ± desvio padrão), variando de 0,002 (Forquilha/Acaraú e Angicos/Coreaú) a 5.062 mg.L^-1 (Acarapé do Meio/Metropolitana). Quanto a Cla, a média foi de 50,933 ± 92,548μg.L^-1, com valor mínimo de 0,2 (n=58 reservatórios) e máximo de 1671,4 μg.L^-1 (Colina/Sertões de Crateús). Com relação ao volume percentual anual, obteve-se uma média de 40,81±30%, com percentual mínimo de 0,01% e máxima de 100%. A Figura 2 mostra, através de diagrama de caixas, as variações das concentrações de PT (A) e Cla (B) nas bacias cearenses.

Durante o período úmido, a média do volume para todas as bacias foi superior a 50% (65,9%), enquanto, no período seco, a média encontrada foi de 30,9%. A Figura 3 mostra a concentração do PT e Cla com relação a variabilidade volumétrica em cada bacia durante os períodos úmido e seco. Com relação ao fósforo total, observando o conjunto de dados como um todo, a média total de fósforo foi semelhante para os dois períodos, sendo aproximadamente 0,121 mg.L^-1.

Apesar de a diminuição no volume dos reservatórios favorecer o aumento da concentração de nutrientes, em alguns reservatórios a ausência de chuvas, características nos períodos de seca, pode resultar em redução da carga de entrada externa de nutrientes no reservatório, uma vez que as principais fontes de entrada de poluentes em reservatórios tropicais são decorrentes do transporte de sedimentos provenientes de fontes de poluição pontual e difusa na bacia (CAVALCANTE; ARAÚJO; BECKER, 2018; FREIRE; SOUZA FILHO, 2022).

(26)

Figura 2 – Variação do fósforo total (A) e clorofila a (B) nas doze bacias hidrográficas do Ceará, em escala linear- log. Os círculos no gráfico indicam os outliers, a linha interna a mediana e o asterisco a média.

Figura 3 – Variação da concentração média de clorofila a (A), fósforo total (B) em comparação ao percentual volumétrico durante os períodos úmido (U) e seco (S).

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Na concentração de clorofila a, observou-se aumento na média total de 28,542 para 49,728μg.L^-1 entre os períodos. Além disso, a média da concentração de clorofila a foi superior para todas as bacias em estudo durante o período seco, exceto para a Serra da Ibiapaba e a bacia do Litoral. Tendências de influência das mudanças de volume na concentração de biomassa foram demonstrados em outros estudos (ROCHA JUNIOR et al., 2018; FREIRE; SOUZA FILHO, 2023; HAN et al., 2023) evidenciando que elevadas flutuações no volume de água acumulado nos reservatórios, consequência das características climáticas da região, levam a alterações na estabilidade da coluna d'água e na composição da comunidade e biomassa de cianobactérias (MEDEIROS et al., 2015).

3.3.1 Modelos de regressão linear simples

A análise de regressão linear simples para todo o conjunto de dados resultou em um modelo estatístico insatisfatório (R²= 0,137; n= 4596). Do mesmo modo, os ajustes entre PT e Cla obtidos por bacia hidrográfica resultaram em coeficientes de determinação insatisfatórios, sendo o maior valor encontrado na bacia hidrográfica do Baixo Jaguaribe (R²=0,85). Os modelos encontrados para as bacias, apesar de insatisfatórios, apresentam tendências semelhantes às curvas propostas por Bartsch e Gakstatter (1978) e Rast e Lee (1978) (Figura 4), cujo comportamento implica que a entrada excessiva de fósforo pode estimular a proliferação de cianobactérias. A bacia do Curu, no entanto, apresenta uma tendência inversa ao identificado pelos autores, onde o expoente negativo na equação representa um comportamento descendente da clorofila a com o aumento do PT, o que pode ocorrer quando o aumento da carga excessiva de nutriente leva à diminuição da disponibilidade de luz e baixos níveis de oxigênio limitando a produção algal (YU et al., 2022). Já, as curvas propostas por Dillon e Rigler (1974) são baseadas em lagos com concentrações de fósforo total muito inferiores às observadas neste estudo, sendo o modelo geralmente limitado às aplicações em ambientes aquáticos com características semelhantes aos lagos modelados (Figura 4).

Avaliando os coeficientes de determinação entre PT e Cla para cada reservatório, obteve-se que, dos 155 reservatórios analisados, 74,19% (115) se enquadram como insatisfatórios no critério de desempenho estatístico proposto por Moriasi et al., (2015) (Tabela 3). Para os demais limites, 31 (20%) dos reservatórios resultaram em R² do nível satisfatório, 3,87% (6) como bom e 1,94% (3) como muito bom. De modo geral, apesar da predominância de modelos insatisfatórios, o ajuste entre PT e Cla foi mais satisfatório levando em consideração o conjunto de amostras por reservatório do que considerando a bacia como um todo, indicando

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a as limitações da aplicação de modelos baseados em dados de reservatórios combinados para prever resultados em reservatórios individuais, uma vez que a relação entre Cla e nutriente pode variar até mesmo entre reservatórios na mesma ecorregião e sob as mesmas condições tróficas (SMITH; SHAPIRO, 1981; STOW; CHA, 2013).

Figura 4 – Ajuste entre PT e Cla nas bacias hidrográficas estudadas e comparação com modelos clássicos propostos na literatura.

Tabela 3 – Desempenho estatístico dos reservatórios estudados

Critério de desempenho n-reservatórios Média ± DP Intervalo Insatisfatório (R²≤0,4) 115 0,133 ± 0,126 2,49E-05 - 0,399 Satisfatório (0,4<R²≤0,65) 31 0,504 ± 0,069 0,627 - 0,404 Bom (0,65<R²≤0,8) 6 0,744 ± 0,041 0,795 - 0,691 Muito Bom (R²>0,8) 3 0,831 ± 0,020 0,85- 0,818

(29)

Corroborando com o resultado, outros estudos em reservatórios no semiárido relataram ajustes lineares positivos, porém insatisfatórios (BATISTA et al., 2013; BEZERRA;

BECKER; MATTOS, 2014). Rocha, Mesquita e Lima Neto (2020) ao avaliar 35 açudes monitorados pela COGERH, obtiveram coeficientes de determinações de R²= 0,34. Carneiro et al. (2014) avaliando 21 reservatórios no estado de Goiás obtiveram coeficientes de determinação de 0,39. Semelhantemente, avaliando seis reservatórios inseridos na bacia do Seridó, no Rio Grande do Norte, Mesquita (2009) obteve R² positivos entre PT e Cla, mas também classificáveis como insatisfatórios.

O desempenho estatístico insatisfatório dos modelos pode ser justificado pela complexidade dos processos relacionados à predição da biomassa algal em reservatórios com alta variabilidade climática. Wiegand et al. (2020) observaram que em reservatórios cearenses o PT não é o principal nutriente a afetar o processo de eutrofização. Em suas análises, o nitrogênio total além de ser o nutriente mais representativo, foi também o preditor mais importante do crescimento algal. Woelmer et al. (2016), Raulino, Silveira e Lima Neto (2021) e Shuvo et al. (2021), verificaram que, apesar de o PT ser, na maioria dos casos, o nutriente mais influente nas concentrações de Cla, em muitos casos, o impacto combinado de outros fatores, como variáveis hidroclimáticas, são igualmente importantes. Assim, a necessidade da inclusão de outros fatores, além do aporte de fósforo total, na previsão da clorofila a, torna-se a principal justificativa para a predominância de R² insatisfatórios nos reservatórios tropicais em estudo.

Com relação à distribuição dos R² obtidos para os reservatórios entre as bacias estudadas (Figura 5), o Médio e Alto Jaguaribe apresentaram o melhor desempenho estatístico, com, respectivamente, 60% (9) e 41,8% (10) de seus reservatórios com classificação satisfatória ou superior, com exceção da bacia do baixo Jaguaribe que possui 100%, porém conta com apenas um reservatório. Os R² médios nos reservatórios dessas bacias foram 0,463 e 0,342. As bacias Metropolitana e Salgado possuem a maior quantidade de reservatórios classificados como insatisfatórios, com 90,9% (22) e 93.3% (15) e R² médios de 0,159 e 0,109, respectivamente (Tabela 4). O teste de Kruskal-Wallis (H(9)=40,651; p=2.77e-05) confirmou a influência da bacia hidrográfica nos ajustes entre PT e Cla.

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Figura 5 – Percentual da classificação estatística dos R² por bacia hidrográfica

Tabela 4 – Análise estatística dos coeficientes de determinação por bacia hidrográfica

Bacia n-reservatórios Média ± DP Intervalo

Acaraú 16 0,195 ± 0,064 0,000 - 0,796

Alto Jaguaribe 24 0,342 ± 0,044 0,009 - 0,770

Baixo Jaguaribe 1 0,855 0,855 - 0,855

Banabuiú 19 0,279 ± 0,042 0,001 - 0,617

Coreaú 9 0,129 ± 0,072 0,001 - 0,552

Curu 13 0,228 ± 0,058 0,009 - 0,698

Litoral 10 0,121 ± 0,055 0,000 - 0,515

Médio Jaguaribe 15 0,463 ± 0,060 0,017 - 0,822

Metropolitana 22 0,159 ± 0,031 0,000 - 0,479

Salgado 15 0,109 ± 0,035 0,000 - 0,419

Serra da Ibiapaba 1 0,002 0,002 - 0,002

Sertões de Crateús 10 0,303 ± 0,079 0,001 - 0,692

As bacias com maiores diferenças significativas entre os demais grupos foram as bacias do Médio Jaguaribe e Baixo Jaguaribe, apresentando diferenças estatísticas com seis outras bacias (Figura 5). Os reservatórios estão fortemente conectados à sua bacia hidrográfica por intermédio do transporte de sedimentos decorrente do escoamento superficial, dos processos de entrada de nutrientes e a recarga através de águas subterrâneas (ARRUDA; RIZZI;

MIRANDA, 2015; MELO et al., 2022). Além disso, como cada bacia hidrográfica possui diferentes fontes de poluição predominante (agricultura, urbanização, piscicultura, pecuária etc.), os processos de aumento ou redução das cargas de fósforo em cada reservatório são

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intrínsecos ao uso da bacia. Em bacias com predominância de descargas pontuais, por exemplo, a carga de fósforo diminui com o aumento da vazão de entrada devido ao efeito de diluição;

enquanto no caso de fontes difusas predominantes, devido à liberação de fósforo retido no sedimento, ocorre um aumento da carga proporcional ao fluxo (ROCHA; LIMA NETO, 2021a), atestando a variância da capacidade preditiva de PT entre as bacias.

Além disso, para verificar a variabilidade dos coeficientes de determinação entre PT e Cla com relação ao porte, os reservatórios foram agrupados conforme sua capacidade de projeto em quatro grupos: Pequeno (n=53), Médio (n=79), Grande (n=19) e Macro porte (n=4). Os R² insatisfatórios distribuíram-se uniformemente entre as classes de porte, obtendo-se 71,7% de R² insatisfatórios para os reservatórios de Pequeno Porte, 75,9% para os de Médio, 73,68% para os de Grande Porte e 75% para os de Macro Porte. Uma vez que a média entre os grupos também se assemelha (Figura 6) (0,216 ± 0,234; 0,236 ± 0,224; 0,233 ± 0,236 e 0,234 ± 0,252, respectivamente) observou-se, portanto, que o porte não apresentou impacto significativo na predição de Cla. Apoiando essa hipótese o teste de Kruskall-Wallis (H(3)=0,636; p=0,887) e post hoc de Dunn não indicaram diferenças entre os R² dos reservatórios de diferentes portes, não apresentando diferença significativa entre os grupos.

Figura 6 – Variação dos coeficientes de determinação médios conforme o porte do reservatório

Os resultados das classificações de desempenho estatístico foram comparados também com relação à variabilidade anual do percentual volumétrico do reservatório estimada com base no coeficiente de variação volumétrica (Figura 7). Para os reservatórios classificados com de pequena variabilidade (CV<0,25) (n=6), 83,3% enquadram-se no desempenho estatístico insatisfatório, 91,42% para os de Médio CV (n=35), 67,41% para os de Alto (n=89) e 72% para os classificados como de Muito Alta variabilidade volumétrica (n=25). No teste de variância

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de Kruskal-Wallis (H(3)=22,944; p=5,66e-05) observou-se que os R² são afetadas pelo coeficiente de variabilidade volumétrica, sendo indicadas, através do post hoc de Dunn, diferenças significativas principalmente entre os grupos Muito Alto (p=0,0005) e Alto (p=0,000005) com os de CV Médio (Figura 7).

Figura 7 – Distribuição do coeficiente de determinação médios entre PT e Cla conforme o coeficiente de variação volumétrica

De fato, as médias de R² entre PT e Cla observadas nos reservatórios classificados como de Muito Alto (0,297±0,258) e Alto (0,287±0,221) foram superiores aos de Médio (0,111±0,168) e Baixo (0,171±0,215) coeficiente de variabilidade. Nesses grupos, os coeficientes de variabilidade elevados são indicadores de maior dispersão entre as amostras, ou seja, indicam eventos extremos de aumento e redução do nível de água durante o período estudado. O aumento do nível de água em reservatórios, apesar proporcionar a melhoria na qualidade da água devido ao aumento da capacidade de diluição proveniente do aumento do escoamento (MATEUS et al., 2015), pode desencadear, em alguns casos, a liberação de fósforo adsorvido aos óxidos aumentando o risco de liberação do fósforo dos sedimentos do fundo para

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a camada de água, proporcionando aumento da concentração de nutrientes (WU et al., 2021;

ROCHA; LIMA NETO, 2022).

Para avaliar as variações dos coeficientes de determinação em diferentes faixas de concentração de PT e Cla, utilizou-se o estado trófico, usando como critérios de classificação as médias dos poluentes sugeridas por Cunha et al (2013). Utilizando o fósforo como indicador do estado trófico (Figura 8 – A), a maioria dos reservatórios possuem média classificável como hipereutróficos (107). O percentual de reservatórios com classificação insatisfatória foi semelhante para todas as classes (Mesotrófico (80%), Eutrófico (71%), Supereutrófico (47%) e Hipereutrófico (63%).

Figura 8 – Dinâmica dos R² médios entre PT e Cla conforme o estado trófico classificado através do fósforo total (A) e clorofila a (B).

Desse modo, com relação à influência da concentração de fósforo nos ajustes verificados para os reservatórios, não foi observada variação significativa entre os grupos (H(3)=1,952, p=0,288), tendo sido encontradas médias semelhantes para todos os intervalos (Tabela 5). A falta da influência do fósforo na dinâmica dos modelos pode estar associada com a necessidade de investigação do PT como nutriente limitante nos reservatórios em estudo e aos modelos preditivos pouco significativos identificados, que confirmam que nos reservatórios em estudo apenas o fósforo total não é capaz de explicar os processos complexos que explicam as concentrações de clorofila a e seus picos de florações. Apesar de o fósforo controlar a produção primária biológica em lagos oligotróficos e ser tido como o nutriente predominantemente limitante em ecossistemas de água doce, a colimitação por múltiplos fatores têm sido comprovado em diversos estudos, sendo a regra na maioria dos casos (CHIN, 2015;

HENNEMANN; PETRUCIO, 2016; MAMUN; ATIQUE; AN, 2021; WIEGAND et al., 2020).

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Tabela 5 – Estatística dos coeficientes de determinação entre PT e Cla conforme estado trófico.

Estado Trófico Clorofila a (μg.L^-1) Fósforo Total (mg.L^-1) n Média±DP Intervalo n Média±DP Intervalo

Ultra-oligotrófico 0 - - 0 - -

Oligotrófico 1 0,002± 0,002 0 - -

Mesotrófico ²¹ 0,351±0,325 0,0001-0,468 5 0,104±0,151 0,002-0,361 Eutrófico ¹⁹ 0,257±0,286 0,0001-0,438 21 0,178±0,251 2,5e-05-0,762 Super-Eutrófico 14 0,234±0,200 0,008-0,762 15 0,346±0,282 0,002-0,795

Hipereutrófico 100 0,223±0,189 2,5e-05-0,854 107 0,249±0,282 8,3e-05-0,854

Com relação a influência das concentrações de clorofila a (Figura 8– B), os limites sugeridos para a concentração da clorofila a apontaram 100 reservatórios como hipereutróficos, onde desses, 67% obtiveram ajustes insatisfatórios entre PT e Cla. Para as classes eutrófico e supereutrófico obteve-se 64 e 63%, respectivamente. Observa-se, que as médias de R² diminuíram conforme a intensificação do estado trófico. Corroborado com essa análise, diferenças significativas foram identificadas no teste de Kruskal-Wallis (H(3)=8,28, p=0,04).

Geralmente, ambientes aquáticos oligotróficos levam a florações incômodas de algumas espécies de fitoplâncton capazes de regular seu metabolismo para acomodar condições de baixo fósforo inorgânico dissolvido. Ao mesmo tempo, a decomposição do fitoplâncton favorece o aumento do carbono orgânico total, e consequente desnitrificação de nitrogênio, causando um aumento mais acelerado do PT do que do nitrogênio, o que torna o PT preditor predominante, indicando uma melhor capacidade preditiva em reservatórios com menor concentração de Cla (CHEN et al., 2018a; LIANG; SORANNO; WAGNER, 2020).

3.4 Conclusão

Este trabalho avaliou os coeficientes de determinação obtidos entre fósforo total e clorofila a em 155 reservatórios localizados no Ceará. Quanto à variabilidade de clorofila a e PT com relação ao volume do reservatório, observou-se aumento das concentrações médias de clorofila a em todas as bacias durante o período seco e comportamento semelhante para o fósforo total em 58,3% das bacias.

Os modelos de ajuste entre PT e Cla encontrados para cada bacia, apesar de insatisfatórios, seguem as tendências de modelos literários clássicos, indicando que na maioria das bacias a disponibilidade de PT na coluna d’água favorece o aumento da concentração de Cla. Do mesmo modo, avaliando esses ajustes no contexto de cada reservatório, obteve-se que apenas 25,8% (40) obtiveram desempenho satisfatório ou superior (R²>0,4). Os demais

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reservatórios (n=115) apresentaram R² médio de 0,133, o que foi inferior à valores encontrados na literatura para reservatórios tropicais. Os ajustes encontrados para os reservatórios, apesar de insatisfatórios, foram superiores ao verificado considerando os conjuntos de dados por bacia, o que atesta a necessidade de levar em consideração as características intrínsecas de cada reservatório.

Com relação aos fatores que podem influenciar o padrão e a dispersão dos coeficientes de determinação entre a Cla e PT, o estudo demonstrou que o tipo de bacia hidrográfica, a variabilidade volumétrica e a trofia do reservatório com relação a clorofila a obtiveram diferenças significativas entre os grupos de classificação. A influência do porte do reservatório e da concentração de fósforo não foi significativa nos reservatórios observados, não sendo atestada a variância do R² entre os diferentes intervalos de classificação. Desse modo, a análise atual sugere que, como os modelos de ajuste entre PT e Cla obtidos foram extremamente variáveis e na maioria dos casos resultaram em modelos estatisticamente insatisfatórios verifica-se a necessidade de implementação de outras variáveis (nitrogênio, transparência, turbidez, volume, precipitação, temperatura etc.) no desenvolvimento de um modelo de predição de clorofila a satisfatório em reservatórios tropicais.

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4 PARTE II: “ANÁLISE DAS RELAÇÕES ENTRE NITROGÊNIO TOTAL E CLOROFILA A EM RESERVATÓRIOS DO SEMIÁRIDO TROPICAL”

RESUMO

A concentração de clorofila a é um importante indicador para caracterizar a biomassa algal, sendo capaz de refletir a qualidade da água e o nível de eutrofização de ambientes aquáticos.

Neste trabalho, foram analisadas 4315 amostras de nitrogênio total (NT) e clorofila a (Cla) em 155 reservatórios no estado do Ceará. Ajustes entre NT e Cla foram desenvolvidos através de regressão linear simples e classificados conforme o desempenho estatístico do coeficiente de determinação (R²). A dinâmica dessas correlações foi examinada analisando a variância entre grupos de classificação com relação a bacia hidrográfica, ao porte do reservatório, coeficiente de variabilidade, estado trófico e nutriente limitante. A concentração dos poluentes foi influenciada pela sazonalidade, tendo aumentado significativamente do período úmido para o seco na maioria das bacias. Os coeficientes de determinação entre a Cla e NT para as bacias hidrográficas seguiram as tendências de curvas clássicas da literatura, sendo os modelos satisfatórios (R²>0,3) na maioria dos reservatórios (53,3%). A análise de variância atestou que a performance dos modelos foi afetada pelas bacias hidrográficas, pela variação volumétrica e pela mudança nos níveis de estado trófico. Não houve variância significativa de R² entre os reservatórios de diferente porte e nutriente limitante.

Palavras-Chave: nutrientes, reservatórios tropicais, eutrofização, qualidade da água.

4.1 Introdução

Nas últimas décadas, a floração de cianobactérias em lagos e reservatórios tem ocorrido com maior intensidade e frequência principalmente devido ao aumento das atividades antrópicas e mudanças climáticas globais, sendo considerado como um problema ambiental e de saúde pública de escala global (BEAVER et al., 2018; MUNOZ et al., 2021; CALY;

RODRÍGUEZ; PEÑUELA, 2022). Como uma das características típicas da eutrofização é o surto de proliferação de algas nocivas, a clorofila a (Cla) é amplamente utilizada como indicador para avaliar a qualidade e o estado de eutrofização de corpos d'água (MA et al., 2021).

O nitrogênio total (NT) e o fósforo total (PT) são os principais elementos biogênicos para a produção de fitoplâncton, o que os torna intimamente relacionados com a concentração da biomassa algal na água e as fontes mais importantes de eutrofização (CHEN et al., 2018b;

MAMUN et al., 2020; MA et al., 2021). No entanto, a relação entre a concentração de Cla e o

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estado nutricional de reservatórios possui ainda muitas incertezas, uma vez que há uma série de fatores físico-químicos, temporais, ambientais, hidrológicos e morfológicos que podem controlar conjuntamente a bioatividade (KRUK et al., 2023).

Assim, discussões acerca das estratégias de manejo de nutrientes para mitigar a eutrofização em ambientes aquáticos tem focado em identificar o nutriente limitante na dinâmica das relações fitoplâncton-nutriente (ZHOU et al., 2022; GELETU et al., 2023). Os primeiros estudos empíricos dessas relações concentraram-se principalmente no PT como limitante da atividade primária em lagos (VOLLENWEIDER, 1974; SCHINDLER, 1977).

Confirmando essa função, o PT foi também identificado como preditor de Cla em lagos temperados através de relações log-linear por Dillon e Rigler (1974) e Jones e Bachmann (1976). Apesar dessas equações preverem a Cla de forma adequada, em algumas regiões, para altas concentrações de PT, os modelos tendiam a superestimar a concentração de clorofila a, sugerindo que outro parâmetro, como o nitrogênio, pode tornar-se limitante, como foi verificado por Sakamoto (1966) em lagos japoneses. Posteriormente, outros estudos também verificaram a colimitação de NT e PT ou predominância de NT na produtividade primária de ambientes aquáticos (FILSTRUP; DOWNING, 2017; CHEN et al., 2018a; STEPANOVA, 2021).

Desse modo, diversos métodos estatísticos e de processamento de dados vem sendo empregados para avaliar a influência das concentrações NT na biomassa do fitoplâncton e como fatores químicos, físicos e biológicos (turbidez, ação do vento, variabilidade hidroclimática, características de uso e ocupação da bacia, morfometria do reservatório, etc.) podem influenciar a dinâmica dessa relação (MAMUN et al., 2020; THI HOANG YEN et al., 2021; JEZNACH et al, 2023). No Nordeste, a limitação por nitrogênio foi identificada por Wiegand et al. (2020), que, avaliando reservatórios no estado do Ceará, concluiu que o NT foi o preditor mais importante do crescimento algal em 64 dos 101 reservatórios analisados. O NT como o fator preponderante do desenvolvimento da produtividade primária no Nordeste foi identificado também nos estudos de Medeiros et al., (2016), Lopes et al. (2019) e Rocha, Mesquita e Lima Neto (2020).

Nos reservatórios, o nitrogênio desempenha um papel fundamental na sustentação da produção primária, e sua demanda celular é maior do que a de nutrientes como fósforo e ferro (PRAIRIE; DUARTE; KALFF, 2011; ANDERSEN et al., 2020). No entanto, o excesso da concentração desse nutriente pode levar a proliferação de cianobactérias que liberam toxinas de algas que prejudicam a saúde ecológica do ambiente aquático (GUO et al., 2021). Esses valores extremos de qualidade da água, são muitas vezes de difícil previsão, tornando-se uma

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grande preocupação para os sistemas de abastecimento de água (NGUYEN et al., 2023). No Nordeste Brasileiro, a significativa variabilidade do nível da água e os níveis tróficos geralmente mais altos (WIEGAND et al. 2021) implicam em mecanismos mais complexos por trás da eutrofização, dificultando a previsão de Cla (CARVALHO; LIMA NETO; SOUZA FILHO, 2022). Diante disso, a compreensão dos padrões da dinâmica da Cla e nutrientes nesses reservatórios é muitas vezes um pré-requisito para reverter os atuais problemas de qualidade da água e gerenciar os ecossistemas dos reservatórios (FILSTRUP; DOWNING, 2017). Apesar da abundância de estudos que fornecem melhor compreensão sobre a limnologia, as fontes de cargas poluentes, o processo de eutrofização e sua relação com variáveis hidroclimáticas em alguns reservatórios do semiárido brasileiro (RAULINO; SILVEIRA; LIMA NETO, 2021;

ROCHA; LIMA NETO, 2021a; LIMA NETO et al., 2022; MOURA et al., 2022), pesquisas que investigaram as correlações entre Cla e NT ainda são escassas e locais. Assim, este trabalho possui como objetivo avaliar as relações entre NT e Cla em 155 reservatórios localizados no semiárido tropical, compreendendo os possíveis fatores que influenciam a capacidade preditiva dos modelos.

4.2 Metodologia

4.2.1 Local de estudo e obtenção dos dados

Para esse estudo, foram selecionados 155 reservatórios distribuídos em todo território do estado do Ceará (Figura 9), que possui uma área territorial de 150 km², com 175 dos seus 184 municípios (95%) inseridos na região semiárida do Nordeste brasileiro (BRASIL, 2021). Como característico das regiões semiáridas, o estado apresenta grande variabilidade temporal e espacial das precipitações e altas taxas de evaporação, contando com estoques acumulados em reservatórios superficiais como principal fonte hídrica (SOUZA et al., 2017).

Os dados da pesquisa foram obtidos através do histórico de monitoramento da qualidade da água e as medições de volume dos reservatórios disponíveis no Portal Hidrológico do Ceará (http://www.hidro.ce.gov.br), desenvolvido pela Secretaria dos Recursos Hídricos do Estado do Ceará (SRH), a Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos (FUNCEME) e a Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos do Estado do Ceará (COGERH) (CEARÁ, 2021a). O banco de dados disponibiliza dados de nitrogênio total e clorofila a através de coletas realizadas com frequência variável conforme o porte e importância estratégica do açude e medições de percentuais volumétrico diários em cada reservatório. As amostras, coletadas a 0,3 m da superfície e em pontos estratégicos que representam as condições de cada