IDENTIFICAÇÃO DOS ÍONS DETERMINANTES DA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NAS ÁGUAS SUPERFICIAIS DA BACIA METROPOLITANA, CEARÁ

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1 1 IDENTIFICAÇÃO DOS ÍONS DETERMINANTES DA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA NAS ÁGUAS SUPERFICIAIS DA BACIA METROPOLITANA, CEARÁ J. R. Araújo Neto 1 ; A. C. M. Meireles 1 ; E. M. Andrade 1 ; A. A. Batista 2 ; E. A. R. Pinheiro 1 RESUMO - O presente trabalho objetivou identificar os íons de maior contribuição na condutividade elétrica das águas da bacia Metropolitana do Estado do Ceará pelo emprego da análise multivariada de regressão múltipla. Os dados utilizados foram provenientes do banco de dados da Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos do Ceará - COGERH no período de 1999/2009, onde foram monitorados 7 açudes localizados na bacia, perfazendo um total de 291 amostras. Os parâmetros considerados foram: CE, Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na + e HCO - 3. Posteriormente, foi desenvolvido um modelo de regressão múltipla, relacionando a CE aos íons estudados. A equação de melhor ajuste foi executada adotando-se o modelo de seleção por etapas - stepwise regression. O emprego da regressão linear múltipla permitiu conhecer a influência e a contribuição dos íons para determinação da CE das águas. Os resultados mostraram que o íon Cl - apresentou maior contribuição para a variabilidade da CE na bacia Metropolitana, seguido dos íons Mg 2+ e Na +. Pelos índices aplicados, o modelo calibrado apresentou excelente precisão, com índice de confiança (c) superior a 0,90; e índices de Willmott (id) maior que 0,94; indicando um ótimo desempenho do modelo. PALAVRAS-CHAVES: salinidade, composição iônica, estatística multivariada. IDENTIFICATION OF IONS IN DETERMINING THE ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF SURFACE WATER BOWL METROPOLITAN, CEARÁ SUMMARY - This study aimed to identify the major contribution to the ion conductivity of the water basin of the Metropolitan State of Ceará by use of multivariate multiple regression. The data used were from the database of the Society of Water Management in Ceará - COGERH the period 1999/2009, which were monitored seven dams located in the basin, a total of 291 samples. The parameters considered were: EC, Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na + and HCO 3-. Subsequently, we developed a multiple regression model relating the EC to the ions studied. The equation of best fit was performed adopting the stepwise selection model - stepwise regression. The use of multiple linear regression allowed to determine the influence and contribution of ions to determine the EC of the waters. The results showed that the Cl - ion showed greater contribution Universidade Federal do Ceará, Centro de Ciências Agrárias, Departamento de Engenharia Agrícola. 2 Universidade Federal do Semiárido, Departamento de Irrigação e Drenagem.

2 to the variability of the EC in metropolitan basin, followed by Mg 2+ and Na +. Rates applied by the calibrated model showed excellent precision, confidence index (c) greater than 0.90, and rates of Willmott (id) greater than 0.94, indicating a good model performance. KEYWORDS: salinity, ionic composition, multivariate statistics INTRODUÇÃO As águas disponíveis para a irrigação nas áreas áridas e semiáridas do Nordeste brasileiro, em quase sua totalidade, são oriundas de reservatórios superficiais artificiais (açudes). Estas águas são armazenadas durante a estação chuvosa e, em geral, são de baixa a média salinidade. Variações no espelho de água e redução do volume acumulado resultam em incrementos na salinidade da água que refletirá no equilíbrio iônico da solução hídrica (SILVA JUNIOR et al., 2000). A maneira mais empregada para se avaliar a salinidade, ou a concentração de sais solúveis na água de irrigação e no solo, é a condutividade elétrica (CE). Este parâmetro corresponde à medida da capacidade dos íons presentes na água em conduzir corrente elétrica e cresce proporcionalmente com o aumento da concentração de sais. O emprego de água de boa qualidade com baixos níveis de salinidade não deveriam oferecer maiores problemas à irrigação. No entanto, o inadequado balanço de sais comumente verificado, em decorrência de problemas de drenagem, resulta em uma gradativa degradação dos solos irrigados e um progressivo aumento de áreas com problemas (ANDRADE et al., 2002). Atualmente, vários pesquisadores vêm empregando com sucesso análise de regressão linear múltipla na determinação da composição iônica da água, seja no teor e proporção de sais presentes na solução, seja na contribuição de cada íon na condutividade elétrica (BATISTA et al., 2006; RODRIGUES et al., 2007; ARRAES et al., 2009). O conhecimento das variáveis de maior peso permite identificar os elementos que determinam a maior ou menor alteração na condutividade elétrica da água. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo identificar os íons de maior contribuição na condutividade elétrica da bacia Metropolitana do Ceará, pelo emprego da análise multivariada de regressão múltipla. MATERIAL E MÉTODOS O trabalho consistiu no estudo das águas dos reservatórios da bacia hidrográfica Metropolitana do Ceará, situada na região norte do Estado. A bacia apresenta área de km 2 e engloba um conjunto de bacias independentes, incluindo as bacias responsáveis pelo sistema de abastecimento de água de Fortaleza. A precipitação média anual é de 1642,3 mm, em Fortaleza, existindo variações decorrentes da proximidade do litoral, onde os índices pluviométricos são maiores. A taxa de evaporação total anual é de 1.469,2 mm. Os dados utilizados foram provenientes do banco de dados da Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos do Ceará (COGERH), onde foram monitorados 7 açudes: Sítios Novos, Riachão, Pacoti, Pacajus, Aracoiaba, Castro e Pompeu Sobrinho. Os parâmetros considerados foram: condutividade elétrica (CE), cloreto (Cl - ), cálcio (Ca 2+ ), magnésio (Mg 2+ ), sódio (Na + ) e bicarbonato (HCO 3 - ). O monitoramento foi realizado entre os anos de 1999 a 2009 perfazendo um total de 291 amostras.

3 Para definir os íons que apresentavam maior correlação com a CE, parte dos dados obtidos durante o monitoramento entre os anos de 1999 e 2005 foram submetidos à análise de regressão múltipla através do software SPSS v.16. Utilizou-se a seleção por etapa (stepwise regression), em que a variável dependente foi a condutividade elétrica (CE) e as variáveis independentes a concentração dos íons Cl -, Ca 2+, Mg 2+, Na +, HCO 3 -. Esta mesma metodologia foi empregada por Batista et al. (2006) e Arraes et al. (2009). O nível de significância adotado na seleção das variáveis foi de 5% (p < 0,05). A validação do modelo foi efetuada empregando-se a outra parte dos dados coletados, entre 2006 e Seguiu-se esse procedimento para eliminar o risco de auto-correlação, uma vez que o modelo foi validado com dados não empregados na sua calibração. Para se avaliar o desempenho do modelo, a qual compunha a segunda fase deste trabalho, foram aplicados os seguintes índices estatísticos: coeficiente de correlação (R), o qual indica a dispersão dos dados em relação à média (precisão) e índice de Willmott (id) que indica o grau de exatidão do modelo, ou seja, de quanto os valores estimados se aproximam dos observados. RESULTADOS E DISCUSSÃO O modelo de regressão linear para o conjunto de bacias hidrográficas da região Metropolitana do Ceará, desenvolvido entre os valores da CE e dos íons analisados estão presentes na Tabela 1. Verifica-se que os íons que apresentaram maior expressão para determinação da CE foram: Cl -, Mg 2+ e Na +. Os íons Ca 2+ - e HCO 3 apresentaram-se fora do modelo devido a suas baixas sensibilidades na variação da CE. A dependência entre a CE e os íons selecionados pode ser estimada com elevado grau de confiabilidade, baseado não somente nos coeficientes de determinação R 2, mas também nos valores de F. De acordo com os valores de R 2 da equação desenvolvida, pode-se afirmar, que a correlação entre as variáveis independentes e a dependente é de forte a muito forte (R 2 > 0,90) pela escala de Pearson. O modelo desenvolvido para a bacia ajustou-se aos dados com um coeficiente de determinação (R 2 ) igual a 0,910, mostrando que mais de 90 % das variabilidades da CE das águas podem ser explicadas pelo modelo. Para as bacias Metropolitanas, a equação mostrou-se altamente significativas, com o valor de F igual 818,81. A correlação entre CE e os íons foi classificada como forte, uma vez que as equações obtidas foram significativas ao nível de 5% de probabilidade pelo teste F. Portanto, a hipótese de nulidade foi rejeitada (intervalo = 0) e os íons podem ser utilizados com segurança na estimativa da CE. Resultados semelhantes foram observados por Batista et al. (2006), Rodrigues et al. (2007) e Arraes et al. (2009). No intuito de assegurar as informações geradas pela análise de regressão, realizou-se o teste do nível de significância dos parâmetros presentes no modelo proposto. Os elementos de maior expressão para a determinação da CE, tendo por base o maior teste t ao nível de 5% de significância, encontram-se na seguinte ordem: Cl - > Mg 2+ > Na +. De acordo com o modelo, pode-se observar que na bacia em estudo o teor do íon Cl - foi o parâmetro de maior expressão para a determinação da CE das águas. A maior sensibilidade da bacia para o íon Cl - se deve, provavelmente, à ação antrópica como deposição de esgotos domésticos e a lavagem de roupas, concordando com assertiva verificada por Frota Junior et al. (2007), uma vez que a geologia local não favorece para a contribuição de

4 valores consideráveis de Cl -. De acordo com trabalhos de Mendiguchía et al. (2004), o Cl - é um bom indicador de poluição urbana, uma vez que o mesmo está presente em detergentes e sabões que são despejados através dos esgotos. Por se tratar de uma bacia litorânea, não se deve descartar, também, a influência da proximidade do mar e dos aerossóis marinhos, pois a água da chuva apresenta o íon cloreto como o elemento mais abundante, seguido do sódio (MEIRELES et al. 2007). Os valores da condutividade elétrica, obtidos em laboratório e aqueles estimados pelo modelo ao longo de todo o período de coleta, estão apresentados na Figura 1 para a bacia Metropolitana. Observa-se que os valores estimados da CE apresentam-se próximos daqueles determinados em laboratório, indicando que os íons selecionados como variáveis independentes mostram uma alta correlação com a CE. Ainda pela Figura 1, observa-se que a reta ajustada está bem próxima da reta 1:1, tanto para os menores como para os maiores valores da CE. Pelos índices aplicados, o modelo desenvolvido apresenta excelente precisão, com coeficiente de correlação (R) e índice de Willmott (id) maior que 0,94, indicando um ótimo desempenho do modelo (c = 0,91). Tais parâmetros demonstram uma alta precisão e acurácia, indicando que o modelo não é tendencioso, ou seja, estima valores próximos do real, quer para as maiores quer para as menores concentrações testadas. O modelo apresentado mostra comportamento excelente quanto a linearidade dos dados observados em relação aos calculados (R = 0,94), expressando a sensibilidade da CE com os parâmetros selecionados (Cl -, Mg 2+ e Na + ), sendo estes determinantes da condição salina das águas superficiais da bacia Metropolitana do Ceará. CONCLUSÕES O emprego da regressão linear múltipla permitiu conhecer a influência e a contribuição dos íons para determinação da CE na bacia Metropolitana do Estado do Ceará, tendo como íon principal Cl - seguido do Mg 2+ e Na +. Pelos índices aplicados, o modelo calibrado apresentou elevada confiabilidade para estimativa da CE, com coeficiente de determinação (R 2 ) e índice de Willmott (id) maiores que 0,94 indicando um ótimo desempenho do modelo, enquanto o índice de confiança (c > 0,90) indica uma ótima precisão. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRADE, E. M.; MEIRELES, A. C. M.; NESS, R. L. L.; CRUZ, M. G. M. Modelagem da concentração de íons no extrato de saturação do solo, na Região da Chapada do Apodí. Revista Ciência Agronômica, v. 33, n. 02, p , ARRAES, F. D. D.; ANDRADE, E. M.; PALÁCIO, H. A. Q.; FROTA, J. I. J.; SANTOS, J. C. N. Identificação dos íons determinantes da condutividade elétrica nas águas superficiais da bacia do Curu, Ceará. Revista Ciência Agronômica, v. 40, n. 03, p , BATISTA, T. M.; ANDRADE, E. M.; CRISÓSTOMO, L. A.; MEIRELES, M.; RODRIGUES, J. O. Modelagem da estrutura iônica das águas da bacia hidrográfica do Acaraú, Ceará. Revista Ciência Agronômica, v. 37, n. 01, p.1-6, FROTA JUNIOR, J. J.; ANDRADE, E. M.; MEIRELES, A. C. M.; BEZERRA, A. M. E.; SOUZA, B. F. S. Influencia antrópica na adição de sais no trecho perenizado da bacia hidrográfica do Curu, Ceara. Revista Ciência Agronômica, v. 38, n. 02, p , 2007.

5 MEIRELES, A. C. M.; FRISCHKORN, H.; ANDRADE, E. M. Sazonalidade da qualidade das águas do açude Edson Queiroz, bacia do Acaraú, no Semiárido cearense. Revista Ciência Agronômica, v. 38, n. 01, p , MENDIGUCHÍA, C.; MORENO, C.; GALINDO-RIANO, M. D.; GARCÍA-VARGAS, M. Using chemometric tools to assess antropogenic effects in river water a case study: Guadalquivir river (Spain). Analytica Chimica Acta, v. 515, n. 01, p , RODRIGUES, J. O.; ANDRADE, E. M.; CRISÓSTOMO, L. A.; TEIXEIRA, A. S. Modelos da concentração iônica em águas subterrâneas no Distrito de Irrigação Baixo Acaraú. Revista Ciência Agronômica, v. 38, n. 04, p , SILVA JÚNIOR, J. N; SOUSA, A. R. de; SÁ, V. A. L.; LIMA, B. P. Relações entra a concentração de íons e a salinidade de águas subterrâneas e superficiais visando à irrigação no sertão de Pernambuco. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v. 4, n. 02, p , Figura 1- Valores observados e calculados da CE e coeficientes de validação Tabela 1- Regressão linear, coeficiente de determinação e valores do teste F do modelo Local Equação R 2 F Sig. Bacia Metropolitana CE = 0, ,04103 Cl - + 0,10515 Mg ,04268 Na + 0, ,81 0,000 CE = condutividade elétrica em ds.m -1 ; Cl -, Mg +2 e Na + em mmol c.l -1

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