Mapa da qualidade das guas do rio Acara, pelo emprego do IQA e 1

Geoprocessamento1 2

3

Map of Acara River water quality using WQI and GIS of Acara River, Brazil 4

5

Fernando Bezerra Lopes2*, Adunias dos Santos Teixeira3, Eunice Maia de Andrade3, 6

Deodato do Nascimento Aquino4 e Lcia de Ftima Pereira Arajo5 7

8

Resumo - O presente trabalho foi desenvolvido com o propsito de avaliar a variabilidade 9

espacial e temporal da qualidade das guas superficiais da bacia hidrogrfica do Acara, 10

localizada na regio Norte do Estado do Cear, usando um ndice de Qualidade de gua 11

IQA associado a um Sistema de Informaes Geogrficas SIG. Os dados empregados nesta 12

pesquisa foram coletados em fevereiro, julho e novembro de 2003 e maro de 2004, em 13 13

estaes amostrais distribudas ao longo da bacia. O estudo considerou as seguintes variveis: 14

percentagem de saturao de oxignio, demanda bioqumica de oxignio, pH, fsforo total, 15

nitrato, coliformes termotolerantes, turbidez e slidos em suspenso. Foram construdos 16

mapas que apresentam as reas de maior ou menor vulnerabilidade da qualidade das guas 17

superficiais da bacia do Acara. Os valores mais baixos do IQA foram registrados na regio 18

prxima cidade de Sobral e tambm logo aps a cidade de Groaras, onde os esgotos so 19

lanados ao rio. As guas da bacia do Acara enquadraram-se em classes que vo de regular a 20

* autor para correspondncia 1 Recebido para publicao em 18/01/2007; aprovado em 15/05/2008

Pesquisa financiada pelo PRODETAB-16 2 Programa de Ps-graduao em Engenharia Agrcola, CCA/UFC, Caixa Postal 12.168, 60 455 970, Fortaleza-

CE, Brasil, lopesfb@yahoo.com.br 3 Departamento de Engenharia Agrcola, CCA/UFC, Fortaleza-CE, Brasil, adunias@ufc.br, eandrade@ufc.br

4 Programa de Ps-graduao em Engenharia Agrcola, CCA/UFC, Fortaleza-CE, Brasil, deoagro@yahoo.com.br

5 Instituto Federal do Cear Campus de Fortaleza, CE, Brasil, lucifat@cefetce.br

boa, apresentando IQA mnimo de 60,79 e mximo de 80,28. No houve diferena 21

significativa ( = 0,01) nos IQA entre as estaes chuvosa e seca. 22

Palavras-chave - ndice de qualidade de gua. Sistema de informaes geogrficas. Bacia 23

hidrogrfica. 24

25

Abstract - This study was conducted to assess the spatial and temporal variability of water 26

quality from the Acara Basin, Cear, Brazil. We used a Water Quality Index (WQI) with 27

support of a Geographic Information System (GIS). Water quality parameters were sampled 28

in February, July, November/2003 and March/2004. Surface water were collected at 13 29

sampling points in the Acara basin and analyzed for dissolved oxygen, biochemical oxygen 30

demand, pH, phosphate, nitrate, fecal coliforms, turbidity and suspended solids. A 31

vulnerability map of the Acara basin water quality was produced. The lowest values of WQI 32

were obtained in the region near the Sobral city and downward the Groairas city. Sewage 33

from the later city are disposed in the Groairas River. The Acara basin water was classified 34

as regular to good. The lowest values of WQI was 60.79 and the highest was 80.28. There 35

was no significative difference ( = 0,01) in the temporal WQI values from rainy and dry 36

seasons. 37

Key words - Water quality index. Geographical information system. Watershed. 38

39

Introduo 40

A gua a substncia mais abundante no planeta, embora disponvel em diferentes 41

quantidades e em diferentes lugares. Possui papel fundamental no ambiente e na vida humana, 42

e nada pode substitu-la, pois, sem ela, a vida no pode existir. Segundo Tundisi (1999), 43

alteraes na quantidade, distribuio e qualidade dos recursos hdricos ameaam a 44

sobrevivncia humana e as demais espcies do planeta, estando o desenvolvimento 45

econmico e social dos pases fundamentados na disponibilidade de gua de boa qualidade e 46

na capacidade de sua conservao e proteo. 47

A influncia da atividade antropognica e da geologia na qualidade das guas 48

superficiais e subterrneas vem sendo quantificada por diferentes pesquisadores (MELLOUT; 49

COLLIN, 1998; MENDIGUCHA et al., 2004). O impacto ambiental devido ao lanamento 50

de efluentes nos rios tem crescido a taxas preocupantes, principalmente em grandes centros 51

urbanos, expressando a carncia de redes de esgoto sanitrio e a baixa conscientizao da 52

populao em relao conservao dos corpos hdricos (CETESB, 2003; MOLINA et al., 53

2006). 54

A necessidade de um maior conhecimento e controle da variabilidade temporal e 55

espacial levou ao desenvolvimento de ndices de qualidade das guas (IQA). A idia bsica 56

dos ndices de qualidade agrupar uma srie de variveis numa escala comum, combinando-57

as em um nico nmero (ALMEIDA; SCHWARZBOLD, 2003). Vrias tcnicas vm sendo 58

aplicadas por pesquisadores no desenvolvimento de IQA (HORTON, 1965; PALACIO, 59

2004). O mais conhecido e aceito o proposto pela National Sanitation Foundation, o qual 60

vem sofrendo adaptaes nas mais diferentes regies do globo (JONNALAGADDA; 61

MHERE, 2001). O IQA vem sendo aplicado em por diversos pesquisadores e instituies 62

como ferramenta de avaliao da qualidade das guas (COMISTESINOS 1990; ALMEIDA; 63

SCHWARZBOLD, 2003; MELO JNIOR et al., 2003; ANDRADE et al., 2005; MOLINA et 64

al., 2006). 65

O IQA empregado nas mais diferentes formas como uma metodologia integradora, por 66

converter vrias informaes em um nico resultado numrico (ALMEIDA; 67

SCHWARZBOLD, 2003), ademais representa o nvel de qualidade de gua e elimina 68

tendncias individuais de pesquisadores. O uso de IQA uma tentativa que todo programa de 69

monitoramento de guas superficiais prev como forma de acompanhar, atravs de 70

informaes resumidas, a possvel deteriorao dos recursos hdricos ao longo da bacia 71

hidrogrfica ou ao longo do tempo (TOLEDO; NICOLELLA, 2002). O IQA reflete a 72

interferncia de substncias orgnicas, nutrientes, slidos e microbiolgicos na qualidade das 73

guas para consumo humano. 74

A correlao de informaes sobre qualidade de gua pode ser realizada utilizando-se 75

Sistemas de Informaes Geogrficas (SIG) na implementao e interpretao de dados para 76

um diagnstico ambiental mais preciso, mais rpido e de menor custo (LEO et al., 2004; 77

ANDRADE et al., 2005). Segundo Rosa e Brito (1996), o objetivo geral do SIG servir de 78

instrumento eficiente para todas as reas do conhecimento que fazem uso de mapas, 79

possibilitando integrar em uma nica base, informaes representando vrios aspectos de uma 80

regio. O presente trabalho teve por objetivo determinar a variabilidade espacial e temporal da 81

qualidade da gua superficial da bacia hidrogrfica do rio Acara CE usando um IQA com 82

suporte de um SIG. 83

84

Material e mtodos 85

A bacia do Acara situa-se na regio norte do Estado do Cear, sendo ampla em seu alto 86

curso e estreita prximo costa (Figura 1). Drenada predominantemente pelo rio Acara, o 87

qual nasce na serra da Mata em cotas superiores a 800 m, a bacia do Acara desenvolve-se no 88

sentido sul-norte, com aproximadamente 315 km de extenso. A rea da bacia de 89

aproximadamente 14.200 km2, com uma capacidade total de acumulao de gua de 14.266 90

hm3 e contm 298 km de trechos de cursos dgua perenizados artificialmente pelos audes: 91

Paulo Sarasate (Araras Norte), Edson Queiroz, Ayres de Souza (Jaibaras), Forquilha e Acara 92

Mirim. 93

O clima da parte alta da bacia do Acara, segundo a classificao de Kppen, do tipo 94

BSwh, semi-rido quente com chuvas de vero-outono, temperaturas mdias mensais 95

superiores a 18 C. J o da parte baixa da bacia em estudo Aw, tropical chuvoso com 96

chuvas mximas no outono. As mdias anuais da umidade relativa e da velocidade do vento 97

so de 70% e de 2 m s-1, respectivamente. A Tabela 1 apresenta a precipitao mdia mensal 98

para os trs postos pluviomtricos localizados na bacia do Acara. O posto Varjota representa 99

a parte alta da bacia, o posto de Sobral representativo do tero mdio da bacia e o de Marco 100

parte baixa da bacia. Os meses que no constam na Tabela 1 significam que no houve 101

registro da precipitao. 102

103 Figura 1 Bacia do Acara, com indicao dos pontos de coleta em campo 104

105 A geologia regional composta essencialmente por terrenos cristalinos (IPLANCE, 106

1997). De acordo com a classificao de solos, a regio caracteriza-se pela predominncia de 107

Luvissolos e algumas manchas de Neossolo (EMBRAPA, 2006). 108

As amostras de gua foram coletadas durante os meses de fevereiro, julho, novembro de 109

2003 e maro de 2004, em 13 postos. Os atributos fsicos, qumicos e biolgicos considerados 110

neste estudo foram: pH, nitrato, oxignio dissolvido (OD), demanda bioqumica de oxignio 111

(DBO5), fsforo total, coliformes termotolerantes, turbidez e slidos em suspenso. As 112

anlises das amostras de guas seguiram a metodologia apresentada por Apha (1998). 113

Tabela 1 Precipitao pluviomtrica (mm), para o perodo de janeiro de 2003 a maro de 114 2004 para posto de Varjota, Sobral e Marco 115

Postos jan/03 fev/03 mar/03 abr/03 mai/03 jun/03 dez/03 jan/04 fev/04 mar/04 Varjota 146,0 309,5 292,0 175,5 61,0 42,0 90,0 400,0 277,0 265,0 Sobral 101,0 289,0 520,0 122,0 87,0 16,0 18,0 392,0 259,0 125,0 Marco 79,4 412,3 478,3 213,9 49,6 0,0 0,0 596,0 165,3 135,0

Fonte: FUNCEME (2007) 116

117

O IQA utilizado neste trabalho foi desenvolvido pela National Sanitation Foundation 118

(NSF) e adaptado pelo Comitesinos (1990). O Valor do IQA foi avaliado atravs da seguinte 119

equao: 120

wiqiIQA = (1) 121

onde, 122

IQA - ndice de qualidade de gua (adimensional), 123

- multiplicatrio, 124

qi - qualidade relativa da i-sima varivel, 125

wi - peso relativo da i-sima varivel, 126

i - nmero de ordem da varivel. 127

O ndice emprega os nove parmetros considerados mais representativos para a 128

caracterizao da qualidade das guas: percentagem de saturao de oxignio, coliformes 129

termotolerantes, pH, DBO5, nitrato, fosfato total, temperatura da gua, turbidez e slidos em 130

suspenso. Foram utilizadas as curvas de qualidade - qi (Figura 2) e pesos relativos - wi 131

(Tabela 2), que atribuem uma nota subjetiva de qualidade aos valores da varivel analisada. 132

Para a obteno da percentagem de saturao de oxignio, seguiu-se a metodologia 133

apresentada por Pivele e Kato (2005). 134

135 136

Figura 2 Curvas mdias de variao de qualidade das guas Comitesinos (1990) 137

A verso utiliza pelo Comitesinos (1990) e Almeida e Schwarzbold (2003) no faz uso 138

das medidas de temperatura para estimar o IQA. Testes preliminares feitos por esses autores, 139

com e sem o uso de dados de temperatura, indicaram variaes nos IQA de apenas 5%. Esta 140

varivel tambm no foi considerada uma vez que, na regio em estudo, a amplitude trmica 141

anual pequena. Neste trabalho, foi menor que 6 C. 142

Tabela 2 Variveis utilizadas e seus pesos relativos para clculo do IQA, segundo 143 Comitesimos (1990) 144

Variveis Peso relativos (wi) Oxignio Dissolvido 0,19 Coliformes Termotolerantes 0,17 pH 0,13 DBO 0,11 Fsforo Total 0,11 Nitrato 0,11 Turbidez 0,09 Slidos Totais em Suspenso 0,09

145

A partir do clculo efetuado, determinou-se a qualidade das guas brutas indicada pelo 146

IQA em uma escala de 0 a 100, segundo a parametrizao apresentada na Tabela 3. 147

148

Tabela 3 Faixas de qualidade da gua para IQA (COMITESINAS, 1990) e modificado por 149 Almeida e Schwarzbold (2003) 150

Faixa Classificao da qualidade 0 IQA 25 Muito Ruim 25 < IQA 50 Ruim 50 < IQA 70 Regular 70 < IQA 90 Bom

90 < IQA 100 Excelente 151

Fazendo uso da tcnica de geoprocessamento e com os valores de qi obtidos, para cada 152

varivel analisada, geraram-se as grades de qi atravs do mtodo de interpolao por 153

krigagem no software SURFER 7.0. De posse das matrizes de pontos, foram construdos 154

mapas relativos ao qi de cada varivel no software ArcGIS 9.1. Os mapas do IQA para a bacia 155

do rio Acara foram desenvolvidos a partir da Equao 1 em processo interativo com o 156

software ArcGIS 9.1 atravs da ferramenta ArcToolbox, Analyst Tools e Map Agebra. 157

Processo semelhante foi empregado por Andrade et al. (2006). Para avaliar a variabilidade 158

temporal, foi realizado o teste de mdias dos valores do IQA para a estao chuvosa em 159

relao estao seca. O programa estatstico utilizado foi o SPSS (Statistical Package for the 160

Social Sciences), verso 16.0. 161

162

Resultados e discusso 163

Os resultados obtidos em relao padronizao da qualidade das guas na bacia do 164

Acara permitiram identificar a potencialidade de uso da gua para irrigao e principalmente 165

para consumo humano. A qualidade da gua em forma de um ndice apresenta grande 166

vantagem de ser facilmente assimilvel pela comunidade, pois os resultados so expressos em 167

forma de nmeros adimensionais entre zero (qualidade muito ruim, ou seja, inadequada) e 168

100 (gua excelente, ou seja, gua sem e/ou com baixa restrio de uso). 169

As Figuras 3 e 4 apresentam os valores de qi calculados a partir dos resultados das 170

anlises laboratoriais e das curvas de qualidade das guas (Figura 2). Pela Figura 3A, observa-171

se que os valores de qi do pH variaram de 77 a 89, correspondendo a uma gua que no 172

apresenta limitao quanto a este parmetro. 173

O pH pode ser considerado como uma das variveis ambientais mais importantes, ao 174

mesmo tempo em que uma das mais difceis de serem interpretadas (ALMEIDA; 175

SCHWARZBOLD, 2003). Esta complexidade na interpretao dos valores de pH se deve ao 176

grande nmero de fatores que podem influenci-lo. Palcio (2004), aplicando IQA na parte 177

baixa da bacia hidrogrfica do rio Trussu, Cear, encontrou valores de qi para o pH que 178

variaram de 42,40 a 100. Os valores do qi mais baixos para o pH foram registrados no trecho 179

entre a cidade de Santana do Acara e a cidade de Marcos. 180

181 182

183 184 Figura 3 Mapas dos qis para a bacia do Acara, (A) pH, (B) turbidez, (C) percentagem de 185

saturao de oxignio e (D) slidos em suspenso 186

A variabilidade espacial da turbidez pode ser vista na Figura 3B. Esta varivel 187

representa o grau de interferncia com a passagem da luz atravs da gua, conferindo uma 188

aparncia turva mesma. A principal fonte os slidos em suspenso, os quais podem ser de 189

origem natural (partculas de rocha, areia e silte, alm de algas e outros minerais) ou 190

antropognica (despejos domsticos, industriais, microorganismos e eroso). A turbidez 191

mdia para a bacia em estudo variou de 69 a 86 (Figura 3B). Os valores de qi para a turbidez, 192

encontrados para a bacia do Acara, foram semelhantes aos observados por Almeida e 193

Schwarzbold (2003), para as guas do Arroio de Cria Montenegro, Rio Grande do Sul. 194

Os valores de qi para a percentagem de saturao de oxignio e para os slidos em 195

suspenso so apresentados nas Figuras 3C e 3D, respectivamente, com valores variando de 196

60 a 95 para a percentagem de saturao de oxignio, sendo que a grande parte da bacia 197

apresentou qi superior a 80, embora a quantidade de oxignio tenha sofrido um declnio, 198

prximo cidade de Forquilha, provavelmente em virtude de carga orgnica. J os slidos em 199

suspenso apresentaram variao muito pequena, entre 80 e 82. O oxignio na gua 200

importante para a sobrevivncia dos seres aquticos aerbicos e para a decomposio 201

biolgica da matria orgnica. 202

Para coliformes termotolerantes, os valores de qi variaram de 11 a 55 (Figura 4A). Os 203

menores valores do qi foram observados desde a cidade de Carir at a cidade Bela Cruz. Isto 204

pode ser explicado pela intensa explorao agropecuria, principalmente pecuria, e tambm 205

pela interferncia antrpica atravs do lanamento de efluentes urbanos sem tratamento nos 206

rios. Toledo e Nicolella (2002) obtiveram resultados semelhantes, estudando as guas em 207

microbacia sob uso agrcola e urbano na cidade de Guara (SP). 208

209 210

211 212 Figura 4 Mapas dos qis para a bacia do Acara, (A) coliformes termotolerantes, (B) 213

demanda bioqumica de oxignio, (C) fsforo total e (D) nitrato 214

Para demanda bioqumica de oxignio, observou-se que os valores de qi variaram de 61 215

a 82, correspondendo a valores de 0,4 a 9,5 mg L-1 (Figura 4B). Almeida e Schwarzbold 216

(2003) obtiveram valores que variaram de 0,49 a 13,20 mg L-1. 217

Todo o fsforo presente em guas naturais, tanto na forma inica como na forma 218

complexa, encontra-se sob a forma de fosfato, devendo-se utilizar esta denominao para se 219

referir s diferentes formas de fsforo em Limnologia (ESTEVES, 1988). 220

Na Figura 4C, verifica-se que os valores de qi variaram de 90 a 100, desta forma, este 221

parmetro no teve grande influncia na degradao dos corpos hdricos da bacia do Acara. 222

Resultados contrrios foram encontrados por Silva e Pruski (1997), onde ficou evidente a 223

influncia da concentrao de fsforo na deteriorao da qualidade da gua, sendo o uso 224

agrcola o principal causador. 225

Os valores de nitrato foram baixos para toda a bacia do Acara (Figura 4D): todos os 226

valores foram inferiores a 1 mg L-1. Resultados semelhantes foram observados por Almeida e 227

Schwarzbold (2003) em estudos das guas do Arroio de Cria Montenegro, Rio Grande do Sul. 228

O IQA na bacia do Acara variou de 60,79 a 80,28 (Figura 5A). Melo Jnior et al. 229

(2003), estudando a hidroqumica e a qualidade das guas de um trecho do rio Au, Rio 230

Grande do Norte, encontraram valores de IQA variando de 59 a 85. Valores mais baixos do 231

IQA foram observados nas proximidades da cidade de Sobral, comportamento justificado em 232

virtude de Sobral ter uma populao de 175.814 mil habitantes (IBGE, 2007). Alm de ser 233

bem desenvolvida com vrias indstrias, est inserida em regio onde se explora a pecuria, 234

fatores que contribuem para a degradao dos corpos hdricos. 235

O IQA baixo no rio Groaras, em torno de 65, decorrncia principalmente dos esgotos 236

domsticos da cidade lanados diretamente no rio sem nenhum tratamento. Este resultado est 237

de acordo com Cetesb (2003), que verificou que as piores condies de qualidade das guas 238

das UGRHIs foram as que apresentavam forte ocupao urbana e da intensa industrializao. 239

Molina et al. (2006), aplicando ndice de qualidade de gua na microbacia do crrego gua da 240

Bomba, municpio de Regente Feij SP, verificou que os piores valores de IQA foram nos 241

pontos onde ocorre lanamento de esgotos municipal sem tratamento nos corpos hdricos. 242

Na parte alta da bacia do Acara encontram-se os melhores valores de IQA. No entanto, 243

esses melhores ndices no esto nas nascentes da Bacia e sim logo aps os audes Araras 244

Norte, localizado prximo a cidade de Varjota, e Edson Queiroz, localizado na cidade de 245

Santa Quitria. Tal fato ocorreu em virtude da sedimentao nos reservatrios (Figura 5A). 246

247 248 Figura 5 ndice de Qualidade de gua IQA para a bacia do Acara, (A) apresentado em 249

cinco classes e (B) enquadrando na classificao da Tabela 3 250

251

A bacia do Acara, no geral, apresenta boa qualidade de gua para consumo humano, 252

em relao aos parmetros analisados neste trabalho. Merece ser destacado que uma avaliao 253

rigorosa da qualidade de corpos de guas no pode ficar restrita apenas aos resultados do 254

IQA, uma vez que esse ndice leva em considerao apenas os parmetros que podem afetar 255

as propriedades organolpticas, o equilbrio ecolgico (por exemplo, eutrofizao) e os riscos 256

sanitrios mais imediatos. Com efeito, outras substncias tais como hidrocarbonetos txicos, 257

metais pesados precisam ser igualmente consideradas, as quais podem ocorrer em 258

concentraes potencialmente danosas sade e bem-estar dos seres vivos, mesmo em guas 259

que apresentem IQA na faixa do timo. 260

Na Tabela 4, so apresentados os dados estatsticos da variao temporal das mdias do 261

IQA para a bacia hidrogrfica do Acara, Cear. 262

Tabela 4 Comparao de mdias do IQA entre a estao chuvosa e a seca para a bacia do 263 Acara, Cear 264

Estao n Mdia Desvio Padro t Sig (bilateral) Chuvosa 10 79,60 8,28

-0,260 0,797 Seca 10 78,70 7,13

Nvel de significncia a 1% 265

266

De acordo com a tabela supracitada, observa-se que no houve diferena significativa 267

entre as estaes. A mdia do IQA da estao chuvosa foi superior mdia da estao seca. 268

Nesta poca, os audes que perenizam a bacia estavam em seu nvel mais baixo, resultando 269

em uma maior concentrao dos sais em decorrncia do processo de evaporao. Resultados 270

semelhantes foram encontrados por Andrade et al. (2005) elaborando um ndice de qualidade 271

de gua, uma proposta para o vale do rio Trussu, Cear, que observaram o pior IQA na 272

estao seca. A variao temporal das guas da bacia hidrogrfica do Acara apresenta valor 273

do IQA de 79,60 e 78,70 para as estaes chuvosa e seca, respectivamente. Ambos os valores 274

do IQA so classificados como bons. Com relao ao desvio-padro (Tabela 4), ocorreu uma 275

maior variao em torno da mdia dos valores de IQA na estao chuvosa. Molina et al. 276

(2006) encontraram desvios - padro de 5,2 e 14,4 aplicando um ndice de qualidade de gua 277

na microbacia degradada do crrego gua da Bomba, municpio de Regente Feij SP. 278

De maneira geral, a variabilidade espacial foi superior variabilidade temporal. 279

Resultados semelhantes foram observados por Andrade et al. (2005). A variabilidade espacial 280

do IQA foi classificada de regular e boa (Figura 5b), enquanto que o IQA da variabilidade 281

temporal foi classificado como bom (Tabela 4). 282

283

Concluses 284

1. A aplicao do IQA mostrou que as guas da bacia do Acara enquadram-se em classes 285

que vo de regular a boa; 286

2. No houve diferena significativa na avaliao temporal da qualidade das guas da bacia 287

hidrogrfica do Acara; 288

3. A variabilidade espacial do valor do IQA das guas da bacia hidrogrfica do Acara foi 289

superior variabilidade temporal. 290

291

Agradecimentos 292

Os autores agradecem ao PRODETAB-16 pelo suporte financeiro dado a essa pesquisa 293

e ao CNPq pela bolsa de mestrado do primeiro autor. 294

295

Referncias 296

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