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INFLUÊNCIA DA SAZONALIDADE REGIDA PELO REGIME HIDROLÓGICO NAS CARACTERÍSTICAS LIMNOLÓGICAS DE UM RESERVATÓRIO LOCALIZADO

EM REGIÃO SEMIÁRIDA RESUMO

As características físicas, químicas e biológicas de reservatórios podem ser influenciadas em grande parte por flutuações sazonais no nível d’água relacionadas ao ciclo hidrológico da região. Flutuações nos volumes armazenados em reservatórios são mais frequentes em regiões semiáridas, onde eventos chuvosos são sazonais e ocorrem associados a um regime irregular de precipitações. O reservatório Dourado, localizado na zona semiárida do estado do Rio Grande do Norte, é um reservatório com potencial para apresentar uma deterioração na qualidade da água e inviabilização do seu uso, devido a uma grande variação no volume de água armazenado ao longo do ano. Em razão destas condições, este trabalho teve como objetivo identificar e quantificar os fatores direcionadores da qualidade da água no reservatório tropical Dourado, na região semiárida do nordeste brasileiro durante um ciclo hidrológico. Variáveis limnológicas, morfométricas e meteorológicas do reservatório foram monitoradas mensalmente no período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012. Análises de correlações não- paramétricas (Spearman) e de Componentes Principais (ACP) foram usadas para determinar as relações existentes entre fatores limnológicos e meteorológicos do reservatório e mudanças temporais e espaciais nas condições físicas e químicas do manancial. Os resultados mostraram que a sazonalidade regida pelo regime hidrológico da região do semiárido apresentou influência na modificação das características limnológicas do reservatório Dourado, especialmente na qualidade da água. No período chuvoso o aporte alóctone de compostos ao reservatório a partir da bacia de drenagem contribuiu para a elevação das concentrações de nutrientes na água. A biomassa algal se manteve baixa no reservatório durante o período chuvoso, influenciada pelos efeitos da diluição e da exportação da biomassa fitoplânctonica suspensa devido ao vertimento do reservatório. A redução no nível da água e o aumento do tempo de retenção da água do reservatório contribuíram para a elevação acentuada da turbidez e da biomassa algal, favorecendo o aumento do processo de eutrofização e a inviabilização do uso do reservatório para diversas atividades humanas.

ABSTRACT

The physical, chemical and biological reservoirs may be influenced largely by seasonal fluctuations in water level related to the regional hydrological cycle. Fluctuations in the volumes stored in reservoirs are more frequent in semiarid regions where rainfall events are seasonal and occur associated with an irregular rainfall regime. Dourado reservoir, located in semiarid zone of Rio Grande do Norte state, is a reservoir with the potential to present a deterioration in water quality and impracticability of their use, due to a large variation in the volume of water stored over year. Because of these conditions, this study aimed to identify and quantify the factors drivers of water quality in the Dourado reservoir, in semiarid region of northeastern Brazil during a hydrological cycle. Limnological, morphometry and meteorological features of the reservoir were monitored monthly in the period between May 2011 and March 2012. Non-parametric correlations (Spearman) and Principal Component Analysis (PCA) were used to determine the relationship between meteorological and limnological features of the reservoir and spatio- temporal changes in physical and chemical conditions of the reservoir. The results showed that the seasonality is governed by the hydrological regime of semiarid region has influence in the modification of the limnological characteristics of the Dourado reservoir, especially on water quality. In the rainy season, the contribution of allochthonous compounds to the reservoir from the watershed contributed to the increase of nutrient concentrations in the water. The algal biomass remained low in the reservoir during the rainy season, influenced by the effects of dilution and the export of phytoplankton biomass suspended due to spillage from the reservoir. The reduction in water level and increase in the water retention time of the reservoir contributed to a rapid rise in turbidity and algal biomass, favoring an increase in the eutrophication process and the impracticability of using the reservoir to human activities.

INTRODUÇÃO

Reservatórios podem ser considerados como lagos naturais quanto aos processos ecológicos básicos que envolvem o metabolismo do sistema, como padrões de mistura interna, trocas gasosas na interface ar-água, reações redox, incorporação de nutrientes, interações presa-predador, produção primária e respiração das comunidades (Thornton et al., 1990). No entanto, em macro-escala, esses sistemas são muito diferentes, por sua origem, influência da bacia hidrográfica, fluxos de entrada e saída de água, taxas de fluxo e a interferência da manipulação humana (Gloss et al., 1980, Thornton et al., 1990). Associados a esses processos, os reservatórios atuam como principal fonte hídrica para diversas atividades humanas, incluindo o abastecimento público, produção de energia, irrigação, aquicultura e recreação, aumentando a importância de estudos desses sistemas.

As características físicas, químicas e biológicas de reservatórios podem ser influenciadas em grande parte por flutuações sazonais no nível d’água, as quais estão associadas à intensa utilização da água pela população e a fatores climáticos (Naselli-Flores e Barone, 2005). Relacionado a esse processo, tem sido observada uma diminuição na qualidade da água em ecossistemas aquáticos, independentemente de seu estado trófico, durante períodos caracterizados por baixa precipitação e redução dos volumes armazenados (Arfi, 2003; Nogões et al., 2003).

A redução do nível da água dos reservatórios tende a concentrar substâncias dissolvidas na água, tais como nutrientes e sais dissolvidos, favorecendo o aumento do processo de eutrofização nesses ambientes. Com o começo das chuvas os reservatórios tendem a melhorar a qualidade da água pelo efeito da diluição e da renovação da água pelo extravasamento. Assim, pode-se dizer que alguns parâmetros limnológicos são dependentes diretamente do ciclo hidrológico (Geraldes e Boavida, 2005)

Flutuações nos volumes armazenados em reservatórios são mais frequentes em regiões onde eventos chuvosos são sazonais e ocorrem associados a um regime irregular de precipitações. As condições climáticas das regiões semiáridas, caracterizadas por altas taxas de evaporação e precipitações irregulares, causam significantes perdas de água nos reservatórios, principalmente em anos secos,

quando a qualidade e a disponibilidade de água pode tornar-se um fator critico para o desenvolvimento econômico da região (Freire et al., 2009).

A dinâmica dos reservatórios localizados em regiões semiáridas pode ser caracterizada, no período chuvoso, por uma maior profundidade média, apresentando estratificação térmica, além de uma fase de águas rasas no período de seca, caracterizada por um aumento na eutrofização e na capacidade de reciclagem de nutrientes pelos microorganismos (Naselli-Flores, 2003), modificando as condições naturais de estratificação térmica e dos processos de mistura (Arfi, 2003). A redução das entradas e saídas de água também favorece o aumento da eutrofização nos reservatórios semiáridos devido à elevação do tempo de residência da água (Brasil, 2011).

O reservatório Dourado, localizado na zona semiárida do estado do Rio Grande do Norte, é um reservatório com potencial para apresentar uma deterioração na qualidade da água e inviabilização do seu uso, devido a uma grande variação no volume de água armazenado ao longo do ano, influenciada por um período chuvoso concentrado apenas em quatro meses do ano, além de consideráveis perdas de água por evaporação e intensa retirada de água para uso da população durante o período de seca.

Em razão destas condições apresentadas, este trabalho teve como objetivo identificar e quantificar os fatores direcionadores da qualidade da água no reservatório tropical Dourado, na região semiárida do nordeste brasileiro durante um ciclo hidrológico.

MATERIAL E MÉTODOS Área de estudo

O reservatório Dourado (06°14’48” S; 36°30’30” W), está situado no município de Currais Novos, na região semiárida do estado do Rio Grande do Norte, Brasil (fig. 8). 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 conclusão da construção do reservatório foi em 1982, a partir do barramento do rio São Bento (SEMARH, 2012).

Figura 8: Mapa de localização do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, com destaque para os pontos de amostragem. (Fonte: Projeto MEVEMUC).

O reservatório é utilizado para pesca, recreação e abastecimento público da cidade de Currais Novos, além da agricultura irrigada e dessedentação de animais de pequenas propriedades rurais situadas às margens do reservatório.

A região possui um clima quente, descrito pela classificação de Köppen (1928) como clima 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, umid ade relativa média anual próxima dos 64 % e evaporação potencial em torno dos 2000 mm/ano (IDEMA, 2012).

Parâmetros meteorológicos e morfométricos

Dados de precipitações mensais foram obtidos de uma estação pluviométrica monitorada pela Secretaria Municipal de Infra-estrutura e Serviços Urbanos de Currais Novos.

A área superficial, o volume armazenado e a sua variação no reservatório ao longo do período de estudo foram obtidos através do monitoramento mensal da cota-área-volume do reservatório Dourado, fornecido pela Secretaria de Estado do Meio Ambiente e dos Recursos Hídricos do Rio Grande do Norte (SEMARH).

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).

Amostragem

Amostras de água foram coletadas mensalmente no período de maio de 2011 a março de 2012, compreendendo os períodos chuvoso (maio a julho de 2011) e seco (agosto de 2011 a março de 2012).

As coletas foram realizadas no período da manhã em quatro pontos ao longo do eixo longitudinal do reservatório (fig. 8): próximo à barragem (P1 – 06º14‟47” S; 36º30‟32” W), na região central do reservatório (P2 – 06º14‟31” S; 36º30‟22” W) e

próximo à desembocadura dos principais tributários (P3 - 06º14‟37” S; 36º29‟54” W e P4 - 06º14‟07” S; 36º30‟16” W).

Os perfis verticais de temperatura, pH, oxigênio dissolvido e condutividade elétrica foram medidos em cada ponto utilizando-se uma sonda multiparamétrica HIDROLAB DS5, em intervalos de 1 metro, da superfície ao fundo do reservatório. A transparência da coluna d’água foi medida com auxílio de um disco de Secchi e a zona eufótica foi inferida como sendo três vezes o valor da transparência (Cole, 1994). Em cada ponto amostral as amostras de água foram integradas com auxílio de uma garrafa tipo Van Dorn (5L), em coletas a cada dois metros de profundidade para análise de turbidez, nutrientes, sólidos suspensos e clorofila-a.

As subamostras 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 as posteriores análises.

Análise das amostras

As medidas de turbidez foram determinadas por nefelometria com auxílio de um turbidímetro HACH 2100P (APHA, 2005). Os sólidos em suspensão (totais, e fração fixa e volátil) foram quantificados gravimetricamente, sendo utilizadas membranas de fibra de vidro (∅ 47 mm e 1,5 µm de porosidade), com secagem em estufa a 105°C e ignição em forno mufla a 550ºC (AP HA, 2005).

Para análise dos nutrientes dissolvidos inorgânicos as amostras inicialmente foram filtradas em filtros de fibra de vidro (∅ 47 mm e 1,5 µm de porosidade). O fósforo solúvel reativo (FSR) foi determinado pelo método de Murphy & Rilley (1962) através de espectrofotometria, enquanto que a análise de nitrato foi realizada com base no método proposto por Valderrama (1981), no qual as amostras são tratadas com salicilato de sódio e determinadas através de espectrofotometria. A amônia foi determinada através do método fotométrico da nesslerização direta, com leitura espectrofotométrica (APHA, 2005).

As concentrações de fósforo total foram determinadas pelo método colorimétrico proposto por Valderrama (1981). Para a análise de Clorofila-a 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).

Análises estatísticas

Foram realizadas análises descritivas dos dados limnológicos com auxilio do programa Microsoft Excel 2007.

Análises de correlações não-paramétricas (Spearman) utilizando o programa Statistica® (Statsoft Inc. 1996) foram usadas para determinar as relações existentes entre fatores limnológicos e meteorológicos.

Foi realizada ainda uma Análise de Componentes Principais (ACP) com dados de temperatura, pH, % oxigênio dissolvido, condutividade, turbidez, sólidos suspensos fixos, sólidos suspensos voláteis, fósforo total, fósforo reativo solúvel, nitrogênio amoniacal, nitrato, clorofila-a, pluviosidade, taxa de evaporação e área superficial do reservatório, utilizando o programa PC-ORD® v.6 (McCune e Mefford, 2011) para determinar as mudanças temporais e espaciais nas condições físicas e químicas do ecossistema.

RESULTADOS

Variáveis meteorológicas e morfométricas

Durante o período de estudo precipitaram-se cerca de 371,5 mm de chuva na região do reservatório Dourado, distribuídos principalmente no período chuvoso compreendido pelos meses de maio, junho e julho de 2011. No período de seca, compeendido pelos demais meses do estudo, foram registradas pequenas chuvas nos meses de outubro de 2011 e em janeiro e fevereiro de 2012 (Capítulo 1). Durante o período de estudo evaporaram-se cerca de 3.617.541 m³, sendo as maiores taxas de evaporação registradas no mês de outubro de 2011 (435.010 m³) e as menores registradas no mês de maio de 2011 (220.978 m³).

Em relação à variação de volume do reservatório Dourado, no inicio do estudo o reservatório apresentou 79 % da capacidade total de acumulação (8.154.064 m³), atingindo sua capacidade máxima (10.321.600 m³) e vertendo no

final do mês de maio de 2011. Com o início do período de seca o reservatório apresentou diminuição progressiva de volume até o final do período de estudo, registrando 43 % de sua capacidade (4.438.288 m³) no mês de março de 2012 (Capítulo 1). A área superficial do reservatório variou de 3.160.000 m² no mês de maio (período chuvoso) a 1.806.180 m² no mês de março (período de seca).

O reservatório apresentou baixas profundidades médias ao longo do período de estudo (Zmed = 3,02), com a maior profundidade observada no ponto próximo à barragem durante o período chuvoso (Zmax = 9,7 m) e a menor profundidade registrada no ponto próximo à desembocadura do rio afluente (Zmin = 1,9 m) no final do período seco.

Variáveis limnológicas

No período de chuva as variáveis transparência da água, zona eufótica, temperatura, sólidos suspensos fixos, fósforo total, fósforo solúvel reativo, nitrato e amônia apresentaram maiores valores médios em relação ao período de seca. Comportamento inverso foi observado para as variáveis condutividade elétrica, pH, turbidez, oxigênio dissolvido, sólidos suspensos totais, sólidos suspensos voláteis e clorofila-a, que apresentaram maiores valores médios durante o período de seca (tabela 6).

O reservatório apresentou-se bem misturado durante a maior parte do estudo, sendo classificado como polimítico quente com microestratificações térmicas e químicas no período de seca (fig.9 A, B e C). A temperatura do reservatório apresentou elevados valores durante todo o período de estudo, com o maior valor de temperatura encontrado no período chuvoso e o menor valor observado no período de seca (tabela 6). A maior diferença de temperatura entre a superfície e o fundo da coluna d’água foi observada no ponto mais profundo durante o período seco no mês de outubro de 2011 (fig. 9B).

O perfil de temperatura do ponto mais profundo mostra que houve uma microestratificação térmica apenas durante o período de seca (considerando como critério um gradiente de temperatura > 0,5°.m-1), sem evidência de formação de termoclina (fig. 9B).

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.

Parâmetro Período chuvoso Período seco

Secchi (m) 1,03 - 1,45 0,40 - 1,70 (1,26 + 0,14) (0,85 + 0,33) Zeu (m) 3,09 - 4,35 1,20 - 5,10 (3,79 + 0,42) (2,55 + 0,98) T água (°C) 25,80 - 28,30 24,30 - 27,22 (26,90 + 0,90) (26,06 + 0,82) Cond (µS.cm-1₎ 630,00 - 869,00 761,00 - 1012,00 (723,42 + 100,08) (883,44 + 74,72) pH 6,29 - 7,11 6,89 - 8,70 (6,75 + 0,29) (8,01 + 0,40) Turbidez (NTU) 8,00 - 12,50 11,00 - 36,20 (10,23 + 1,05) (16,49 + 6,99) OD (mg.l-1₎ 5,77 - 7,10 5,34 - 7,89 (6,36 + 0,43) (6,88 + 0,65) SST (mg.l-1₎ 1,75 - 8,80 0,80 - 16,80 (5,23 + 2,10) (8,38 + 3,77) SSF (mg.l-1₎ 0,00 - 4,80 0,00 - 6,40 (2,72 + 1,43) (2,61 + 1,60) SSV (mg.l-1₎ 0,00 - 5,60 0,40 - 10,80 (2,51 + 1,68) (5,76 + 2,70) PT (µg.l-1₎ 96,71 - 149,57 24,33 - 70,83 (116,06 + 19,34) (49,79 + 13,68) FSR (µg.l-1₎ 79,57 - 131,00 0,00 - 43,14 (102,43 + 19,78) (7,46 + 13,38) NO3--N (µg.l-1) 420,00 - 1357,50 108,89 - 434,00 (693,96 + 259,56) (271,72 + 85,01) NH4- N (µg.l-1) 447,73 - 783,15 365,84 – 872,84 (580,34 + 92,80) (555,34 +120,23) Clorofila-a (µg.l-1₎ 7,80 – 16,64 6,14 - 80,60 (13,30 + 2,81) (29,25 + 22,16)

Parâmetros: Secchi = Transparência da água; Zeu = Zona eufótica; Cond = Condutividade elétrica; OD = Oxigênio dissolvido; SST = Sólidos suspensos totais; SSF = Sólidos suspensos fixos; SSV = Sólidos

Figura 9: Perfil vertical do reservatório Dourado, Currais Novos/RN: (A) Oxigênio dissolvido (%); (B) Temperatura (°C) e (C) pH, no período de m aio de 2011 a março de 2012 no ponto 1 (próximo a barragem).

O oxigênio dissolvido apresentou perfil do tipo clinogrado na maior parte do período de estudo, sendo registrada uma microestratificação química somente durante o período de seca (fig. 9A). Os valores extremos de oxigênio dissolvido foram encontrados no período seco, com o maior valor observado no mês de janeiro e o menor valor no mês de março de 2012 (tabela 6). A diferença máxima das concentrações de oxigênio dissolvido entre superfície e fundo no ponto mais profundo foi observada no meio do período seco em outubro de 2011 (fig. 9A).

(A) (B)

chuva seca chuva seca

(C

O pH apresentou-se levemente ácido durante o período chuvoso e alcalino nos demais meses (valores geralmente acima de 8,0) (fig. 9C). O maior valor de pH foi encontrado no final do período seco e o menor valor no período de chuva (tabela 6).

A condutividade elétrica apresentou menores valores no mês de junho de 2011 durante o período chuvoso, se elevando progressivamente até o final do período seco, com os maiores valores registrados no mês de março de 2012 (tabela 6).

A zona eufótica apresentou maiores valores durante o período chuvoso, se estendendo até o sedimento do reservatório nos pontos de menor profundidade. Durante a estação seca a zona eufótica sofreu uma diminuição progressiva de valor, apresentando os menores valores no final do período seco (fig. 10)

Figura 10: Variação temporal do volume do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, e das variáveis profundidade máxima e zona eufótica no ponto mais profundo do reservatório durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012.

A turbidez apresentou valores crescentes ao longo do período de seca com o maior valor observado no ponto próximo à barragem no final do período de seca e o menor valor registrado durante o período de chuva no mês de junho (tabela 6). Os sólidos suspensos totais e os sólidos suspensos voláteis seguiram padrão semelhante ao da turbidez, com valores crescentes ao longo do período seco e

maiores concentrações observadas no final do período de seca (fig. 11), indicando que a maior parte da turbidez é de origem orgânica.

Figura 11: Variação temporal dos valores médios de sólidos suspensos totais (SST), sólidos suspensos fixos (SSF) e sólidos suspensos voláteis (SSV) no reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012.

As concentrações de fósforo total apresentaram os maiores valores durante o período de chuva e de maior volume armazenado no reservatório, decrescendo com início da estação seca e se mantendo com pouca variação até o fim do período de estudo (fig. 12).

Em relação às frações de nitrogênio dissolvido inorgânico (NID), o nitrogênio amoniacal apresentou modificação pouco acentuada nas concentrações em relação aos períodos hidrológicos, sendo a fração com maior contribuição para o nitrogênio dissolvido inorgânico no período de seca. O nitrato seguiu a mesma tendência do fósforo total e do ortofosfato, apresentado os maiores valores durante a estação chuvosa e uma diminuição progressiva ao longo da estação seca, atingindo os menores valores no final do período de seca (tabela 6).

Figura 12: Variação temporal dos valores médios de fósforo total e do volume do reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012.

O fósforo solúvel reativo apresentou o mesmo padrão do fósforo total, com maiores concentrações no período chuvoso e reduzidas concentrações no período de seca (fig.13).

Figura 13: Variação temporal dos valores médios de fósforo total e fósforo solúvel reativo no reservatório Dourado, Currais Novos/RN, durante o período compreendido entre maio de 2011 e março de 2012.

As concentrações de clorofila-a apresentaram padrões de variação sazonal similares aos de turbidez e de sólidos suspensos voláteis e inversos aos de fósforo