UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL CURSO DE MESTRADO EM RECURSOS HÍDRICOS ESTADO TRÓFICO DO AÇUDE ACARAPE DO MEIO COM PROGNÓSTICOS USANDO MODELAGEM MATEMÁTICA FERNANDO FERNANDES DE LIMA FORTALEZA – CEARÁ 2007 FERNANDO FERNANDES DE LIMA ESTADO TRÓFICO DO AÇUDE ACARAPE DO MEIO COM PROGNÓSTICOS USANDO MODELAGEM MATEMÁTICA Dissertação submetida à coordenação do Curso de Pós- graduação em Engenharia Civil, área de concentração em Recursos Hídricos, da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre. ORIENTADOR: Prof. Raimundo Oliveira de Souza FORTALEZA – CEARÁ Esta dissertação foi apresentada como parte integrante dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, na área de concentração de Recursos Hídricos, outorgado pela Universidade Federal do Ceará, a qual encontrar-se-á à disposição dos interessados na Biblioteca Central da referida Universidade. A citação de qualquer trecho desta dissertação é permitida desde que seja feita de conformidade com as normas da ética científica. ________________________ Fernando Fernandes de Lima Banca examinadora: _________________________________________ Prof. Raimundo de Oliveira Souza, Dr. (orientador da dissertação) ________________________________________ Profª. Ticiana Marinho de Carvalho Studart, Dra. ________________________________________ Conceição de Maria Albuquerque Alves, PhD. A Deus, que me permitiu chegar até aqui. “A era da procrastinação, das meias medidas, da demora, está chegando ao fim. No seu lugar estamos entrando numa era de conseqüências...” Winston Churchill AGRADECIMENTOS Aos meus pais, Creusimar e Francisco, que me educaram e forneceram a base de minha formação ética e moral. Sem vocês eu não conseguiria. Às minhas irmãs, Kariny e Juliana, por terem compreendido a minha ausência e por terem dado o suporte familiar necessário. À minha namorada, Juliana, pelos momentos compartilhados, pela cumplicidade, pelas idéias e sugestões inestimáveis. Aos meus tios, Aldery e Ernani, pela participação fundamental na minha educação e pelo apoio sempre recebido nos momentos mais necessários, desde sempre. Ao Prof. Raimundo Souza, pela orientação, amizade e incentivo que permitiram a conclusão deste trabalho. Aos professores do curso de pós-graduação, pelos conhecimentos transmitidos e por fazer este curso uma realidade. Em especial, o Coordenador do curso, Prof. Marco Aurélio, pela compreensão de minhas limitações. À banca examinadora, pela atenção dispensada em participar deste momento importante. Aos colegas Alina, Andréa, Ernani, Fábio, Giovanna, Leal, Orleani, Vanessa, pela amizade e compartilhamento de dificuldades ao longo dos anos. Aos colegas de trabalho, pelo constante incentivo. Ao meu chefe, Maurício César, por dar o devido valor ao crescimento individual como forma de engrandecer a instituição. Aos funcionários do Departamento de Engenharia Hidráulica, que sempre estiveram presentes para nos ajudar. À COGERH, pelo fornecimento dos dados necessários à elaboração deste trabalho. Em especial aos funcionários Disney e Flávio, pela ajuda em diversos momentos. À Universidade e o governo federal, pela oportunidade de galgar mais este degrau. RESUMO A eutrofização é um problema que vem trazendo cada vez maiores preocupações à comunidade científica que se dedica ao estudo dos ecossistemas aquáticos. Há mais de 30 anos que são buscados métodos para melhor entender o desenvolvimento do fenômeno, principalmente por meio da modelagem matemática. Capaz de inviabilizar o uso humano e industrial de um reservatório, a eutrofização deve ser motivo de constante preocupação dos gestores dos recursos hídricos, pois uma vez instalada, o tempo necessário para recuperação de um reservatório é da ordem das dezenas de anos. Na Região Metropolitana de Fortaleza, o açude Acarape do Meio é um dos mais importantes reservatórios para uso industrial e humano, e seu processo de eutrofização vem se intensificando nos últimos anos. A Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos – COGERH tem buscado maneiras de entender o funcionamento do reservatório, através de constante monitoramento. Neste trabalho busca-se fazer um relato da situação atual do Acarape do Meio, juntamente com prognósticos, obtidos por meio do modelo matemático do software PAMOLARE, elaborado pelas Nações Unidas. Com isso foi possível o estabelecimento de limites de poluição que o referido reservatório deve receber para que seu processo de eutrofização seja revertido. Palavras-chave: Eutrofização, modelagem matemática, PAMOLARE, fósforo, nitrogênio, clorofila-a. ABSTRACT Eutrophication is a problem that is becoming more important within the scientific community that studies the aquatic ecosystems. Methods for a better understanding of the phenomenon are object of research since the 70´s, mostly through mathematical modeling. Being able to avoid the human and industrial use of a reservoir, eutrophication must be a reason for a everyday concern of water resources managers, as once it is set up, the time needed for recovery of a reservoir is usually no less than 10 years. At Fortaleza Metropolitan Region, the Acarape do Meio reservoir is one of the most important ones for industrial and human use, and its eutrophication process is intensifying during the last years. The local water resources management company (COGERH) is looking for ways to better understand the reservoir behavior through a constant monitoring campaign. Within this work it is made a report of the recent situation of Acarape do Meio, together with prognoses, obtained with the mathematical model of the PAMOLARE software, developed by the United Nations. Pollution limits were defined as an objective to revert the eutrophication process. Keywords: Eutrophication, mathematical modeling, PAMOLARE, phosphorus, nitrogen, chlorophyll-a. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – Fluxograma de um modelo ecológico (JØRGENSEN, 1994)............................22 FIGURA 2 – Posição geográfica do estado do Ceará. Fonte: Instituto de Pesquisa e Estratégia Econômica do Ceará (IPECE). .........................................................................................31 FIGURA 3 – Região semi-árida cearense. Fonte: IPECE........................................................32 FIGURA 4 – Geologia do Estado do Ceará. Fonte: Secretaria de Recursos Hídricos do Estado do Ceará (SRH), 2005. .....................................................................................................33 FIGURA 5 – Bacias hidrográficas do estado. Fonte: IPECE...................................................34 FIGURA 6 – Divisão política da RMF.....................................................................................35 FIGURA 7 – Açude Acarape do Meio. Fonte: Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos (COGERH). ......................................................................................................................38 FIGURA 8 – Esquema do abastecimento de água na RMF. Fonte: COGERH........................38 FIGURA 9 – Bacia hidrográfica do Acarape do Meio. Fonte: COGERH. ..............................39 FIGURA 10 – Distribuição dos pontos onde foram coletados os dados..................................44 FIGURA 11 – Variação do fósforo e dos índices de estado trófico entre maio de 2001 e dezembro de 2002.............................................................................................................47 FIGURA 12 – Variação do fósforo e dos índices de estado trófico entre novembro de 2004 e novembro de 2005 ............................................................................................................48 FIGURA 13 – Escala para interpretação da classificação de Lamparelli (fósforo), em mg/L.49 FIGURA 14 – Escala para interpretação da classificação da OECD (fósforo), em mg/L .......49 FIGURA 15 – Variação espacial da concentração de fósforo no Acarape do Meio................50 FIGURA 16 – Concentração de fósforo em maio/2001 – classificação da OECD..................56 FIGURA 17 – Concentração de fósforo em dezembro/2004 – classificação da OECD ..........57 FIGURA 18 – Concentração de fósforo em setembro/2005 – classificação da OECD ...........58 FIGURA 19 – Variação da concentração de clorofila-a e dos índices de estado trófico entre maio de 2001 e dezembro de 2002 ...................................................................................60 FIGURA 20 – Variação da concentração de clorofila-a e dos índices de estado trófico entre novembro de 2004 e novembro de 2005 ..........................................................................60 FIGURA 21 – Escala para interpretação da classificação de Lamparelli (clorofila-a), em μg/L ..........................................................................................................................................61 FIGURA 22 – Escala para interpretação da classificação da OECD (clorofila-a), em μg/L ...61 FIGURA 23 – Variação espacial da concentração de clorofila-a no Acarape do Meio...........62 FIGURA 24 –Concentração de clorofila-a em junho/2001 – classificação da OECD.............68 FIGURA 25 –Concentração de clorofila-a em abril/2005 – classificação da OECD ..............69 FIGURA 26 –Estimativa da carga de poluentes no Acarape do Meio. Fonte: COGERH. ......72 FIGURA 27 – Evolução do volume armazenado no Acarape do Meio. Fonte: COGERH. ....73 FIGURA 28 – Tendência da concentração de nitrogênio na água ...........................................76 FIGURA 29 – Tendência da concentração de fósforo