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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/76966
Tipo: | Tese |
Título: | Water quality dynamics in a multi-purpose reservoir in the Brazilian semiarid: responses to hydro-climatic variability and external and internal nutrient loadings |
Título em inglês: | Water quality dynamics in a multi-purpose reservoir in the Brazilian semiarid: responses to hydro-climatic variability and external and internal nutrient loadings |
Autor(es): | Estacio, Maria Aparecida Melo Rocha |
Orientador: | Lima Neto, Iran Eduardo |
Coorientador: | Barros, Mário Ubirajara Gonçalves |
Palavras-chave em português: | Gestão de recursos hídricos;Eutrofização;Dinâmica do fósforo |
Palavras-chave em inglês: | water resources management.;eutrophication; phosphorus dynamics; |
Data do documento: | 2024 |
Citação: | ESTÁCIO, M. A. M. R. Water quality dynamics in a multi-purpose reservoir in the Brazilian semiarid: responses to hydro-climatic variability and external and internal nutrient loadings. 2024 205f. Tese (Doutorado em Engenharia) - Centro de Tecnologia, Universidade Federaal do Ceará, Fortaleza, 2024. |
Resumo: | O reservatório de Castanhão tem grande importância para a região semiárida brasileira devido aos seus diversos usos: irrigação, aquicultura e abastecimento de água para consumo humano. Situado em uma zona semiárida, seu volume sofre variações significativas ao longo do tempo, especialmente durante períodos de seca. Entre 2012 e 2018, uma seca prolongada levou a uma diminuição substancial no volume do reservatório, atingindo até 2% de sua capacidade. Consequentemente, a qualidade da água deteriorou-se, e o reservatório atingiu o estado eutrófico, complicando sua gestão. Como o fósforo desempenha um papel crucial na eutrofização, este estudo tem como objetivo avaliar a variabilidade espacial e temporal dos parâmetros de qualidade da água. Ele também busca desenvolver e comparar diferentes modelos para estimar a concentração de nutrientes na água afluente ao reservatório com base em dados que possam ser facilmente medidos. Além disso, busca desenvolver um modelo de balanço de massa simulando a dinâmica de fósforo total (PT) no reservatório, considerando suas diversas fontes, como entrada de água, aquicultura e liberação interna de fósforo (P) devido às interações água-sedimento. O objetivo é usar esse modelo para simular diferentes cenários e avaliar o impacto dessas fontes de P. Avaliações mensais realizadas neste estudo confirmam a mistura completa de nutrientes no reservatório, com variações temporais superiores às espaciais, apoiando a aplicabilidade do modelo de mistura completa proposto. O estudo também enfatiza a prevalência da estratificação química nos níveis de oxigênio dissolvido (OD) sobre a estratificação térmica, com o OD diminuindo a jusante, especialmente durante a estação chuvosa. Avaliações diárias revelam um ciclo diário de estratificação térmica, principalmente durante a estação seca, impulsionado por velocidades do vento mais altas. Isso é corroborado por uma correlação negativa significativa entre a velocidade do vento e o índice de estabilidade relativa da coluna d'água. Por outro lado, durante a estação chuvosa, o reservatório experimenta uma estratificação térmica contínua devido à temperatura da água que entra no reservatório ser mais quente do que a temperatura da água do reservatório. Notavelmente, um aumento de duas vezes no P ao longo do dia durante a estação chuvosa evidencia a influência da dinâmica da comunidade fitoplanctônica na variação diária de nutrientes. Além disso, a estratificação química do OD ocorre durante as estações seca e chuvosa, indicando que mesmo durante a estação seca, quando não há entrada significativa, a carga interna de nutrientes pode impactar significativamente a qualidade da água do reservatório. Uma análise da influência do aporte de água em seus parâmetros de qualidade foi realizada e vários modelos preditivos de concentração de PT foram desenvolvidos e comparados. Embora as regressões Ridge e Lasso tenham demonstrado desempenho superior, a observação de que o desempenho no teste superou o do treinamento sugere overfitting. Essa discrepância levou à decisão de adotar um modelo não linear para aplicação no modelo de mistura completa de TP. Além disso, um modelo de árvore de regressão mostrou que a vazão é a variável explicativa que melhor explica a variação do PT, enquanto OD e temperatura foram as que melhor explicaram a variação da concentração de nitrogênio total. A análise do sedimento do reservatório Castanhão mostrou que a maior parte da fração de P que o compõe é inorgânica. Além disso, o ponto de amostragem mais próximo da barragem é o que possui mais potencial para recarga interna de P. O modelo proposto de dinâmica de P no reservatório obteve bom desempenho de calibração (NSE = 0,62; PBIAS = - 0,03%). As simulações de cenários indicam que uma redução de 70% na carga externa, de 30% na carga interna e de 30% na carga da piscicultura têm o potencial de levar a concentração de PT próxima ao limite da classe dois ao final do período de simulação. Essa designação garante que a água seja adequada para consumo humano após tratamento convencional de acordo com a legislação brasileira. Essas reduções podem ser alcançadas por meio de melhorias no saneamento, controle de erosão e de práticas agrícolas a montante, aeração, manejo de sedimentos e aumento da eficiência de conversão de ração para peixes. |
Abstract: | The Castanhão reservoir holds great importance for the Brazilian semiarid region due to its diverse uses: irrigation, aquaculture, and human water supply. Situated in a semiarid zone, its volume undergoes significant variations over time, especially during dry periods. Between 2012 and 2018, a prolonged drought led to a substantial decrease in the reservoir's volume, reaching as low as 2% of its capacity. Consequently, the water quality deteriorated, transforming the reservoir into a eutrophic state, complicating its management. As phosphorus plays a crucial role in eutrophication, this study aims to evaluate the spatial and temporal variability of water quality parameters. It also seeks to develop and compare different models for estimating nutrient concentration in the water inflow into the reservoir based on easily obtainable data. Additionally, it seeks to develop a mass balance model simulating the total phosphorus (TP) dynamics in the reservoir, considering its various sources such as inflow, aquaculture, and internal phosphorus (P) release from sediment-water interactions. The goal is to use this model to simulate different scenarios and assess the impact of those P sources. Monthly assessments conducted in this study confirm complete nutrient mixing in the reservoir, with temporal variations outweighing spatial ones, supporting the applicability of the proposed complete- mixing model. The study also emphasizes the prevalence of chemical stratification in dissolved oxygen levels over thermal stratification, with dissolved oxygen (DO) decreasing downstream, particularly during the rainy season. Diel assessments reveal a diel cycle of thermal stratification, primarily during the dry season, driven by higher wind speeds. This is corroborated by a significant negative correlation between wind speed and the relative water column stability index. In contrast, during the rainy season, the reservoir experiences continuous thermal stratification due to inflowing water being warmer than the reservoir’s water temperature. Notably, a twofold increase in P throughout the day during the rainy season underscores the influence of phytoplankton community dynamics on diel nutrient variation. Additionally, chemical stratification of DO occurs during both dry and rainy seasons, indicating that even during the dry season, when there is no significant inflow, internal nutrient loading can significantly impact the reservoir's water quality. An analysis of the influence of inflow on water quality variables was performed and several predictive TP concentration models were developed and compared. While Ridge and Lasso regressions demonstrated superior performance, the observation that the test performance surpassed that of the training data suggests overfitting. This discrepancy led to the decision to adopt the non-linear model for application in the TP complete mixing model. In addition, a regression tree model showed that the flow rate is the explanatory variable that better explained the TP variation, whereas DO and temperature were the ones that better explained the total nitrogen concentration variation. The analysis of the bed sediment of Castanhão reservoir showed that the majority of P fraction is the inorganic. In addition, the sampling point closest to the dam is the one with more potential for internal P loading. The proposed model of P dynamics in the reservoir achieved good calibration performance (NSE = 0.62; PBIAS = -0.03%). Scenario simulations indicate that an 70% reduction in external load, a 30% reduction in internal load, and a 30% reduction in aquaculture load have the potential to bring the TP concentration within the class two limit by the end of the simulation period. This designation ensures that the water is suitable for human consumption after conventional treatment according to Brazilian legislation. These reductions could be achieved through improvements in sanitation, erosion control, upstream agricultural practices, aeration, sediment management, and enhancement of fish feed conversion efficiency. |
Descrição: | Estácio, Maria Aparecida Melo Rocha. Water quality dynamics in a multi-purpose reservoir in the Brazilian semiarid: responses to hydro-climatic variability and external and internal nutrient loadings. 2024 205f. Tese (Doutorado em Engenharia) - Centro de Tecnologia, Universidade Federaal do Ceará, Fortaleza, 2024. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/76966 |
Currículo Lattes do(s) Autor(es): | http://lattes.cnpq.br/9125912099908109 |
Currículo Lattes do Orientador: | http://lattes.cnpq.br/2172710817636278 |
Currículo Lattes do Coorientador: | http://lattes.cnpq.br/8714254611567182 |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
Aparece nas coleções: | DEHA - Teses defendidas na UFC |
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Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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