Processos iônicos em um reservatório do semiárido brasileiro por um período de estiagem prolongada.

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Ambiental

Autores

Nobre, A.C.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; da Silva, F.J.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Aquino, M.D. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Souza, S.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ) ; Pinto, C.C.C. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ) ; Correia, V.M.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ)

Resumo

O presente trabalho teve como objetivo analisar os processos de razões iônicas dominantes na interface geológica e hídrica, que caracterizam os impactos ambientais causados ao longo de doze anos, em um reservatório no estado do Ceará, Nordeste do Brasil. A área de estudo compreende o açude Banabuiú, em que foram analisados parâmetros conforme APHA, 2005, com coletas no período de março de 2005 a novembro de 2017. Em seguida, com auxílio do software QualiGraf, foram calculados Índice de Qualidade da Água (IQA), que demonstrou ser bom para as águas superficiais analisadas e diagrama de Piper,com predominância quanto às águas sódicas cloretadas. Através do diagrama de Gibbs, foi possível observar que o efeito do ciclo hidrológico mostrou-se dominante.

Palavras chaves

salinidade; íons aquosos; águas

Introdução

O nordeste brasileiro é caracterizado por longos períodos de estiagem hídrica, o que ocasiona problemas socioeconômicos, afetando singularmente o desenvolvimento na região. Assim, no semiárido brasileiro a aridez e a distribuição irregular da precipitação pluviométrica no tempo e no espaço levaram à prática da construção de reservatórios de captação e de armazenamento das águas superficiais (FERREIRA et al., 2015).Essas intervenções hídricas alteram o ciclo hidrológico na região, a montante e a jusante do barramento. Além disso, as águas represadas estão sujeitas à deterioração de sua qualidade devido à alta taxa de evaporação e aos aportes de nutrientes oriundos da agricultura e esgotos domésticos (LIU et al., 2011). A concentração dos íons presentes em açudes geralmente aumenta com o processo de salinização das águas, o que está intimamente relacionado com o aumento da temperatura superficial e evapotranspiração, intensificados também com a irradiação solar nos estados do Nordeste brasileiro. A dissolução de espécies químicas em meio aquoso são determinantes para as interações geoquímicas entre as rochas e as águas represadas, o que vem a ocasionar processos hidrogeoquímicos. Dentre os principais mecanismos controladores da composição química das águas superficiais estão os fenômenos físicos e químicos do intemperismo das rochas (LIMA et al., 2017). Os processos resultantes de tais interações consistem em hidrólise, degradação química, oxidação e redução da composição geoquímica das rochas e da água. Nesses processos são originados os minerais secundários, que serão incorporados ao ambiente aquático na forma de íons solúveis (SANTOS et al., 2017). Conforme Bortolin et al., 2014, razões iônicas evidenciam o fluxo da água por rochas vulcânicas, analisando-se as relações: rNa+/Cl- maior que 0,7; rNa+/Ca2+ menor que 1, rHCO3/Ca2+ em torno de 1,5 e rMg2+/Ca2. Isso demonstra razões coerentes com a literatura e indicam fluxo em basaltos, além de dissolução da calcita (referente à razão rHCO3/Ca2+). Mais que valores, razões iônicas são indicativas dos níveis de salinidade, balanço iônico, irrigação, estabilidade e corrosão de um reservatório. Tais números são quantificados através de índices, descritos como índices climáticos e de estabilidade, por exemplo. Estudos recentes (ARAÚJO, 2017, LIU e CHAN, 2016, KUMAR et al., 2015) apresentam prospecção geoquímica de aquíferos, limitando-se apenas às nascentes e às águas subterrâneas, não mostrando o comportamento hidroquímico das águas superficiais quanto às relações iônicas. Da mesma forma, outras pesquisas (HESSE e KRYSANIVA, 2016; ELIAS et al., 2016) voltam-se somente aos aspectos de qualidade da água, não abordando os processos hidrogeoquímicos que embasam tal monitoramento. O conhecimento da dinâmica dos processos entre razões iônicas e suas relações são de extrema importância ao enriquecimento bibliográfico nesse ramo, especialmente em águas superficiais. Assim, o presente estudo visa analisar os processos de razões iônicas dominantes na interface geológica e hídrica, que caracterizam os impactos ambientais causados ao longo de doze anos, em um reservatório do estado do Ceará, Nordeste do Brasil.

Material e métodos

Área de estudo O açude Banabuiú, localizado em sua totalidade nos municípios de Banabuiú e Quixeramobim a 180 km de Fortaleza, Ceará, Brasil, é uma barragem do tipo Terra Zoneada, que barra o rio Banabuiú. Possui capacidade para 1.601.000.000 m3, com vazão regulada de 12,930 m3/s. O clima característico na região é tropical quente semiárido, com regime de chuva irregular e deficiência hídrica. Em média, a pluviosidade anual é de 712,4 mm, sendo o período mais chuvoso de fevereiro a abril e o mais seco de agosto a novembro. A latitude do município de Banabuiú ao sul é 5° 18’ 35” e a longitude a oeste é 38° 55’ 14”. Segundo o IBGE, a densidade demográfica é de 16,03 habitantes por km2 em 2010, com um total de 18.027 habitantes em 2017. As principais atividades antrópicas na região são agropecuária, comércio e serviços em geral. Parâmetros analisados Amostras representativas das águas superficiais do reservatório estudado foram coletadas duas vezes ao ano, uma em cada semestre, no período entre 2005 até 2017. A temperatura, condutividade elétrica e pH foram medidos in situ (HANNA HI-9828, EUA). A determinação de bicarbonato nas amostras foi realizada pelo método de titulação em ácido, a concentração de cloreto foi medida pelo método de titulação com AgNO3 e o teor de sulfato pela técnica de turbidez usando BaCl3 e um espectrofotômetro. Sódio e potássio foram analisados utilizando espectrofotômetro absorção atômica em chama, enquanto que cálcio e magnésio foram encontrados por titulação. Todos os procedimentos analíticos são os sugeridos pela Associação Americana de Saúde Pública (APHA, 2005). A precisão analítica e a reprodutibilidade na medição foram inferiores a 2% e o erro analítico era menor que 5%. Os resultados geoquímicos foram plotados no gráfico trilinear de Piper, usando o software QualiGraf 2017, disponibilizado pela Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos (FUNCEME). A fim de analisar quais os principais processos de trocas iônicas que ocorrem nas águas superficiais, foi plotado o diagrama de Gibbs, o qual permite avaliar a relevância de correlação entre evaporação, dominância dos íons e de precipitação. Os parâmetros físico-químicos dos resultados analíticos foram comparados com os padrões de referência recomendados pela OMS. Cálculo do Índice de Qualidade da Água O Índice de Qualidade da Água (IQA) foi calculado para avaliar, a partir das variáveis correspondentes, se os reservatórios estariam ou não qualificados ao abastecimento público. O IQA é composto por nove parâmetros, com seus respectivos pesos (w), que foram fixados em função da sua importância para a conformação global da qualidade da água (ELIAS et al., 2016).

Resultado e discussão

Parâmetros Gerais A temperatura variou entre 26 a 33°C, na faixa entre 28°C, representativa da média local. Ao observar os valores médios de pH, o açude manteve-se dentro da faixa permitida pela legislação ambiental (6,0 a 9,0). Foram observadas maiores concentrações de gás carbônico livre, formadas a partir de ácido carbônico, o que acidifica o meio aquoso do Banabuiú. Ao analisarem o comportamento espacial e sazonal da bacia, Lima e colaboradores, 2017, verificaram valor máximo para pH de 8,80, influenciados por altos níveis de bicarbonatos na água, o que a alcaliniza. A condutividade elétrica (CE) em águas reflete o quanto o reservatório pode transmitir corrente elétrica, a partir dos íons dissolvidos. Conforme Kumar e estudiosos, 2015, a CE pode ser classificada de três tipos: tipo I, se os níveis de sais são baixos (CE<1500 µS/cm); tipo II, para níveis médios (CE entre 1500 e 3000 µS/cm) e tipo III para níveis altos (CE>3000 µS/cm). Para o reservatório, mesmo o valor máximo de CE foi menor que 1500 µS/cm, classificando essas águas como do tipo I, com baixos níveis de salinidade. Para fins de potabilidade, o máximo permitido dos SDT deve ser em torno de 500 mg/L, a fim de facilitar etapas iniciais de remoção, como gradeamento e peneiramento. Em média, o SDT do açude Banabuiú foi de 357,10 mg/L, indicando que suas águas podem ser ditas como frescas. Principais íons Em águas superficiais, a concentração de bicarbonato e carbonato se mantém em torno de 200 mg/L. Analisando-se dados encontrados, o açude apresentou 101,31 mg/L de HCO3-, indicando impacto ambiental sofrido pelas trocas iônicas entre as rochas sedimentares e as águas superficiais. O cloro, na forma de íon cloreto (Cl-), é um dos principais ânions inorgânicos em águas naturais e residuais. Condições de seca extrema no nordeste brasileiro remetem à busca de alternativas como o uso de reservatórios não utilizados há anos, e, portanto, com alto índice de cloreto dissolvido, indicativo de poluição da água. A média analisada para Banabuiú esteve no limite permitido, referindo-se a 89,30 mg Cl-/L. O reservatório apresentou índice de sulfato dentro dos limites de normalidade (100,40 mg SO42-/L). Certas águas podem ser ditas bicarbonatadas cálcicas ou magnesianas, especialmente pela presença de sulfato no meio (REGINATO et al., 2012). Cálcio e magnésio são íons determinantes da dureza da água, pois suas concentrações geralmente são superiores a dos demais íons alcalino-terrosos encontrados em águas naturais. Em termos de cálcio e magnésio, o reservatório pode ser caracterizado por conter água do tipo branda, pois as concentrações desses íons não ultrapassaram os limites estabelecidos pela Organização Mundial de Saúde: dureza de 111,97 mg CaCO3.L-1. Quanto aos níveis de sódio existentes, Banabuiú manteve-se dentro dos padrões. É notável que o sódio é o cátion mais encontrado naturalmente, devido ao intemperismo ou dissolução do silicato das rochas, além da elevada evaporação ocorrida nos meses secos no Ceará, bem como de atividades de drenagem e agrícolas (COSTA e DA SILVA, 2017). Analisando-se o potássio, o reservatório demonstrou nível maior que o permitido, possivelmente devido aos elevados índices de salinidade dos locais, que incluem trocas iônicas mais pertinentes para o sódio e excesso de sais de potássio nas águas superficiais analisadas. Índice de Qualidade da Água (IQA) O Índice de Qualidade da Água (IQA) fornece uma indicação relativa da qualidade da água, permitindo uma comparação espaço-temporal de pontos distribuídos entre distintas coleções hídricas. Os níveis de qualidade são representados por uma escala de 0 a 100, pelos quais é possível verificar as condições da água bruta, através da contaminação ou não pelo lançamento indiscriminado de esgotos industriais ou domésticos. Os padrões de classificação e os pesos de cada parâmetro seguiram as faixas características da CESTESB, 2013. O açude Banabuiú demonstrou IQA de 77 e 64 para os 1° e 2° semestres dos doze anos analisados, respectivamente. Conforme os padrões da CESTESB, 2013, esses valores se referem à águas com boa qualidade, apesar da queda considerável no 2° semestre do ano. Diagrama de Piper O diagrama de Piper apresentam triângulos que servem para classificar a água baseada nos cátions e ânions dominantes, o qual fornece a distribuição iônica total, isto é, indica a característica química da água e aponta semelhanças entre várias águas (CONCEIÇÃO; BONOTTO, 2002). A Figura 1 representa o Diagrama de Piper para o açude Banabuiú. As águas superficiais do reservatório apresentaram predominância quanto às águas sódicas cloretadas, compreendendo 76% no geral. De acordo com Araújo Neto et al., 2010, a presença de águas cloretadas na estação chuvosa deve estar relacionada aos resíduos de fertilizantes cloretados e cargas de esgotos domésticos provenientes da contribuição do escoamento neste período. Foram detectados baixos percentuais de águas bicarbonatadas – 12% – indicando baixos níveis de salinidade e boa qualidade da água. Diagrama de Gibbs Para Gibbs (1970), os principais mecanismos naturais que controlam a composição química das águas superficiais são: (I) precipitação atmosférica, responsável pela composição química dos mananciais, (II) intemperismo das rochas, ocorre em áreas de precipitação intermediária e (III) evaporação- cristalização, processo de maior influência em regiões áridas e semiáridas. Analisando o diagrama catiônico para Banabuiú (Figura 2), observa-se que o efeito do ciclo hidrológico é mais predominante que a interação dos cátions com as rochas. A evaporação, apesar de ser alta na região, devido à elevada irradiação solar do Nordeste Brasileiro, também tem efeito menor que as chuvas. Da mesma forma que Lima et al., 2017, a litologia tem influência marcante, através do escoamento de partículas coloidais de minerais em suspensão, com cátions prevalecendo nos mecanismos de controle dessas trocas iônicas.

Diagrama de Piper para classificação das águas para o açude Banabuiú.


Diagrama catiônico de Gibbs para o açude Banabuiú.

Conclusões

A análise média dos parâmetros foi importante para verificar os limites permitidos pela OMS, 2011, e ver a incidência dos principais íons, isoladamente. A temperatura foi mantida na média e o pH dentro da faixa permitida. Os índices dos íons dissolvidos permitiu classificar as águas como frescas e de baixa salinidade, além de brandas. Através dos padrões da CESTESB, 2013, o IQA foi de boa qualidade da água, com caimento no segundo semestre devido ao longo período de estiagem hídrica. As águas superficiais do reservatório apresentaram predominância quanto às águas sódicas cloretadas. Analisando o diagrama catiônico de Gibbs para Banabuiú, observa-se que o efeito do ciclo hidrológico é mais predominante que a interação dos cátions com as rochas. A presente pesquisa foi essencial para aprofundar os estudos sobre os processos hidroquímicos em águas superficiais de reservatórios nordestinos, que apresenta especial relação entre os mecanismos de trocas iônicas aquosas e na interface solo-água.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela concessão da bolsa de doutorado.

Referências

ARAÚJO, A.L.V. DE. Mecanismos dominantes na salinização de água em rochas anisotrópicas com base em razões iônicas e número Fuzzy, em área do sertão central no Ceará. 2017. 191p. Tese (Doutorado em Geologia). Programa de Pós-Graduação em Geologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017.
BORTOLIN, T. A.; REGINATO, P. A. R.; LEÃO, M. I.; SCHNEIDER, V. E. Hidrogeologia e hidroquímica dos aquíferos fraturados associados às rochas vulcânicas ácidas no Município de Carlos Barbosa (RS). Ambiente e Água – An Interdisciplinary Journal of Applied Science, v.9, n°1, 56-67, 2014.
CETESB – Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental no Estado de São Paulo. IQA – Índice de Qualidade das Águas. Disponível em: http://www.cetesb.sp.gov.br/userfiles/file/agua/ aguas-superficiais/aguas-interiores/documentos/ indices/02.pdf. Acesso em: 15/07/2018.
CONCEIÇÃO, F.T.; BONOTTO, D.M. Relações hidroquímicas aplicadas na avaliação da qualidade da água e diagnóstico ambiental na bacia do Rio Corumbataí (SP). Geochimica Brasiliensis, v.16, n° 1, 1-21, 2002.
COSTA, J. A.; DA SILVA, D. F. Distribuição espaço-temporal do Índice de anomalia de chuva para o Estado do Ceará. Revista Brasileira de Geografia Física, n.4, n° 10, 1002-1013, 2017.
FERREIRA K. C. D .; LOPES F. B. ; DE ANDRADE E. M. ; MEIRELES A. C. M. ; DA SILVA G. S. Adaptação do índice de qualidade de água da National Sanitation Foundation ao semiárido brasileiro. Revista Ciência Agronômica, v.46, n° 2, 277-286, 2015.
GIBBS, R. J. Machanisms Controlling World Water Chemistry. Science. v. 170. n° 3962. p. 1088-1090. 1970.
HESSE, C.; KRYSANOVA, V. Modeling Climate and Management Change Impacts on Water Quality and In-Stream Processes in the Elbe River Basin. Journal Water, v.40, n° 8, 1-31, 2016.
ELIAS, E.; RANGO, A.; SMITH, R.; MAXWELL, C.; STEELE, C.; HAVSTAD, K. Climate Change, Agriculture and Water Resources in the Southwestern United States. Journal of Contemporary Water Research e Education, v. 158, 46-61, 2016.
KUMAR, S.K.; LOGESHKUMARAN, A.; MAGESH, N.S.; GODSON, P.S.; CHANDRASEKAR, N. Hydro-geochemistry and application of water quality index (WQI) for groundwater quality assessment, Anna Nagar, part of ChennaiCity, Tamil Nadu, India. Appl Water Sci, v. 5, 335-343, 2015.
LIMA A. O.; LIMA-FILHO F. P.; DIAS N. S.; REGO P. R. A.; BLANCO F.F.; NETO M.F. Mechanisms controlling surface water quality in the Cobras river sub-basin, northeastern Brazil. Rev. Caatinga, v.30, n° 1, 181-189, 2017.
LIU, W-C.; CHAN, W-T. Assessment of Climate Change Impacts on WaterQuality in a Tidal Estuarine System Usinga Three-Dimensional Model. Journal Water, v. 8, n° 60, 2-22, 2016.
REGINATO, P. A. R.; AHLERT, S.; GILIOLI, K. C.; CEMIN, G. Caracterização hidrogeológica e hidroquímica do aquífero livre do manto de alteração da Formação Serra Geral, na bacia hidrográfica Taquari-Antas, região nordeste do estado do Rio Grande do Sul. Revista Ambi-Agua, Taubaté, v. 7, n° 1, 2012.
SANTOS, C. E. O.; PEIXOTO, J. S.; ALVES, J. P. H. Geoquímica das águas do reservatório Poção da Ribeira, Agreste Central de Sergipe. Scientia Plena, v. 13, n° 10, 1-10, 2017.