Índice de qualidade de água com base na normalização dos dados e análise de componentes prinicipais

Índice de qualidade de água com base na normalização dos dados e análise de...

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LAVRAS - MG 2011

Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas, para a obtenção do título de Mestre.

Orientador Dr. Carlos Rogério de Mello

Coorientador Dr. Daniel Furtado Ferreira

LAVRAS - MG 2011

Pinto, Leandro Campos.

Índice de qualidade de água com base na normalização dos dados e análise de componentes principais / Leandro Campos Pinto. – Lavras : UFLA, 2011. 89 p. : il.

Orientador: Carlos Rogério de Mello

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Lavras, 2011. Bibliografia.

Título
CDD – 3.9117

1. Recursos hídricos. 2. IQA. 3. Indicadores ambientais. 4. ACP. 5. Serra da Mantiqueira. I. Universidade Federal de Lavras. I.

Ficha Catalográfica Preparada pela Divisão de Processos Técnicos da Biblioteca da UFLA

Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas, para a obtenção do título de Mestre.

Aprovada em 03 de agosto de 2011

Dr. Antônio Marciano da Silva UFLA Dr. Renato Ribeiro de Lima UFLA Dr. Samuel Beskow UFPEL

Dr. Carlos Rogério de Mello Orientador

LAVRAS – MG 2011

A Deus, por estar sempre á frente nas minhas decisões. Sem ele nada seria possível!

A Maria de Lourdes e Walter, meus pais queridos que sempre me apoiaram e me deram totais condições de seguir os meus objetivos.

Aos meus irmãos, Andréia e Luiz Gustavo com os quais eu cresci e aprendi os maiores valores desta vida.

Aos meus sobrinhos queridos, Arthur e Gabriel que trouxeram ainda mais felicidade aos nossos lares.

Aos meus avós maternos e paternos, exemplos de vida e nos quais sempre me espelhei.

A Luciana, minha namorada, pelos bons momentos juntos e apoio durante esta caminhada. Aos amigos e familiares, sempre presentes em todos os momentos.

Ao professor Carlos Rogério pela amizade, ensinamentos e orientação na condução deste trabalho.

Ao professor Antônio Marciano pela amizade, ensinamentos repassados e pelas pontuais e preciosas sugestões para a melhoria deste trabalho.

Aos professores Samuel Beskow e Renato Ribeiro Lima também pelas valiosas contribuições oferecidas a este trabalho.

Aos demais professores da UFLA pelos ensinamentos repassados e pela boa convivência e amizades.

À Universidade Federal de Lavras, pela oportunidade de realização do mestrado.

Ao CNPq pela concessão da bolsa de mestrado (Processo 14: 552869/2010-4 Edital MCT/CNPq 70/2009 e Processo 2: 4716881/2009-6 Edital MCT/CNPq 141/2009).

À FAPEMIG pelo apoio financeiro (PPM IV – 060/2010). A toda minha família, pela confiança transmitida e ao meu irmão Luiz

Gustavo pelo apoio nos trabalhos de campo.

Ao amigo Léo F. Ávila pelo apoio e companheirismo na aquisição de dados para este trabalho.

Aos colegas de república, Cleiton e Petrus pela amizade e companheirismo.

A todos os demais colegas e amigos Itamar, Millena, Rosângela,

Gabriel, Lidiane, João José, Pedro Lima, Matheus Colares, Rafael, Michael, Zinho, Mateus Juruaia, Ulisses, Gláucio, Zélio, Geovane, Alisson, Sílvio e muitos outros que porventura não estejam aqui citados, agradeço pelos ensinamentos repassados, amizade e companheirismo.

Aos funcionários Gilson, Osvaldo e José Luis, pela amizade, convivência e apoio na condução dos trabalhos.

Ao proprietário da área monitorada, Sr. José Roberto por todo apoio que concebeu na aquisição de dados de campo.

A todos que direta e indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.

Meu muito obrigado!!!

A Serra da Mantiqueira constitui-se em uma região importante do ponto de vista ambiental e sua antropização tem provocado preocupações constantes no tocante à capacidade de manutenção do escoamento e na qualidade dos recursos hídricos superficiais. Neste estudo, foram monitoradas duas sub-bacias com distintas coberturas vegetais (pastagem e Mata Atlântica), localizadas na Serra da Mantiqueira. Foram analisados os seguintes indicadores associados à qualidade de água: turbidez, pH, condutividade elétrica, sólidos dissolvidos totais, oxigênio dissolvido, temperatura, nitrato, fosfato, demanda bioquímica de oxigênio, demanda química de oxigênio, coliformes totais e fecais e a vazão dos cursos d’água. Segundo a legislação brasileira, a qualidade dos corpos hídricos é tratada pela Resolução CONAMA 357/05, que dispõe sobre a classificação dos corpos d’água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento. Os resultados das análises mostraram que os valores de turbidez, condutividade elétrica, nitrato e fosfato se mantiveram baixos ao longo do período. As concentrações de oxigênio dissolvido se mantiveram maiores no ambiente de Mata Atlântica em relação ao ambiente sob Pastagem, por ser um ambiente mais protegido das ações antrópicas. Os maiores valores de DBO foram obtidos no período de maior precipitação na região, denotando forte influência do escoamento superficial direto no transporte de material orgânico aos corpos hídricos. Também foram encontradas altas concentrações de coliformes totais e fecais em ambas as situações de uso do solo mediante atividades agropecuárias exercidas na região. Na determinação de índices de qualidade de água (IQA) para a região da Serra da Mantiqueira utilizou-se da análise de componentes principais (ACP) na seleção de indicadores que mais contribuíram na variação dos dados e a normalização dos valores dos indicadores de qualidade de água propostos para o estudo. Coliforme total, nitrato, coliforme fecal, DQO e temperatura foram os principais indicadores de qualidade de água que influenciaram a composição do IQA proposto neste estudo. Com a aplicação da ACP foi possível reduzir o número de indicadores de qualidade de água originais, selecionando os indicadores mais determinantes para as variações das características dos ambientes estudados. O ambiente sob Mata Atlântica apresentou melhores resultados de IQA ao longo do tempo, demonstrando a importância deste tipo de vegetação na manutenção da qualidade da água dos corpos hídricos.

Palavras-chave: Recursos hídricos. Indicadores de qualidade de água. ACP. Serra da Mantiqueira.

The Mantiqueira Range is an important region from the environmental view and its anthropic has provoked constant concern associated to the capacity maintenance of the flow and quality of surface water resources. In this study, two sub-basins were monitored with different land-uses (Atlantic Forest and pasture), located in the Mantiqueira Range. It was monitored the following parameters associated with water quality: turbidity, pH, electric conductivity, total dissolved solids, dissolved oxygen, temperature, nitrate, phosphate, biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total coliform and fecal coliform and flow of water courses. According to the Brazilian Law, the quality of water is treated by CONAMA Resolution 357/05, which provides for the classification of water and environmental guidelines for their participation.The test results showed that the values of turbidity, electrical conductivity, nitrate and phosphate remained low throughout the period. The dissolved oxygen concentrations remained higher in the Atlantic Forest in relation to the environment under Pasture, due to be an environment more protected from human actions. The highest values of BOD were obtained in the period of highest precipitation in the region showing strong influence of surface runoff direct transport of organic material to water. Also were found high concentrations of total and fecal coliforms in both situations of land use by agricultural activities conducted in the region. In the determination of Water Quality Indices (WQI) for the region of Mantiqueira Range, was used the Principal Component Analysis (PCA) in selection of indicators that contributed to the variation of data and standardization of the indicators values of water quality proposed in this study. Total coliforms, nitrate, fecal coliform, COD and temperature were the main indicators of water quality that more influenced the composition of the WQI proposed in this study. With the application of PCA, it was possible to reduce the number of water indicators of quality, selecting those more appropriate for characterizing the variations of the environments studied. The Atlantic Forest environment showed better values of WQI throughout the period, demonstrating the importance of this type of vegetation in maintaining water quality in water bodies.

Keywords: Water resources. Indicators of water quality. PCA. Mantiqueira Range.

CAPÍTULO 1 Introdução geral1
1 INTRODUÇÃO12
2 REFERENCIAL TEÓRICO14
2.1 Ciclo hidrológico14
2.2 Indicadores de qualidade de água16
qualidade da água16
2.3.1 Turbidez16
2.3.2 Temperatura17
2.3.3 Nitrato17
2.3.4 Fosfato18
2.3.5 Potencial hidrogeniônico19
2.3.6 Condutividade elétrica19
2.3.7 Sólidos19
2.3.8 Oxigênio dissolvido20
2.3.9 Demanda bioquímica de oxigênio21
2.3.10 Demanda química de oxigênio21
2.3.1 Coliformes2
2.4 Qualidade dos corpos hídricos23
2.5 Poluição dos corpos d’água24
2.6 Cobertura vegetal e a qualidade da água em corpos hídricos26

2.3 Indicadores físico-químicos e microbiológicos associados à

hídricos27
2.8 Classificação e enquadramento dos corpos hídricos28
3 CONSIDERAÇÕES GERAIS30

2.7 Atividades agropecuárias e a qualidade da água em corpos REFERÊNCIAS ................................ ................................ ............. 31

na região da Serra da Mantiqueira, MG36
1 INTRODUÇÃO39
2 MATERIAL E MÉTODOS41
2.1 Descrição da área em estudo41
2.2 Monitoramento da qualidade da água superficial45
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO49
4 CONCLUSÕES61
REFERÊNCIAS62
técnica de componentes principais65
1 INTRODUÇÃO68
Índice de Qualidade de Água (IQA)70
2 MATERIAL E MÉTODOS73

CAPÍTULO 2 Comportamento temporal de indicadores de qualidade de corpos hídricos em duas situações de uso do solo CAPÍTULO 3 Composição de um Índice de Qualidade de Água para as condições da Serra da Mantiqueira através da 1.2 Análise de Componentes Principais (ACP) na composição do

Água para a região da Serra da Mantiqueira74
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO76
4 CONCLUSÕES84
REFERÊNCIAS85

2.1 Análise de Componentes Principais e Índice de Qualidade de ANEXOS................................ ................................ ......................... 87

1 CAPÍTULO 1 Introdução geral

12 1 INTRODUÇÃO

O crescimento econômico e o tecnológico têm gerado muitos desequilíbrios no meio ambiente, os quais se refletem numa série de alterações dos ecossistemas naturais. Em face disto, há grande preocupação mundial com relação à disponibilidade e preservação dos recursos naturais, visando o seu manejo sustentável. Dentre estes recursos, a água e as florestas são consideradas essenciais para a garantia da sustentabilidade.

A região da Serra da Mantiqueira abriga as nascentes dos principais rios do Sudeste do Brasil. Constitui-se em uma região importante do ponto de vista ambiental e sua antropização tem provocado preocupações constantes no tocante à capacidade de manutenção do escoamento e na qualidade dos recursos hídricos superficiais.

As características climáticas da região, com balanço hídrico anual positivo, ou seja, a precipitação superando de forma considerável a evapotranspiração faz com que a região se constitua numa importante referência de produção de água, com elevado potencial para geração de escoamento de base (subterrâneo), com origem de importantes rios que abastecem boa parte do Sudeste do Brasil.

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