Modelagem de nutrientes, florações de algas e mortandade de peixes em um grande reservatório com extrema variabilidade hidrológica usando abordagens mecanísticas, de aprendizado de máquina e híbridas

Reservatórios tropicais semiáridos apresentam forte variabilidade hidrológica interanual e sazonal, o que afeta significativamente a eutrofização. Este estudo analisou 15 anos de dados mensais de um grande reservatório semiárido no Brasil, abrangendo períodos de alta vazão (2008-2011), seca (2012-2016) e regime intermediário (2017-2022), associados a intensas florações de algas e mortandades de peixes. As variáveis incluíram afluência, defluência, volume, produção em tanques-rede, fósforo total (PT), nitrogênio total (NT), clorofila-a (Cla) e mortandade de peixes. Um modelo mecanístico transiente de mistura completa e quatro algoritmos de aprendizado de máquina (AM), regressão linear (RL), regressão Ridge (RR), árvore de decisão (AD) e k-vizinhos mais próximos (KNN), foram calibrados usando dados de entrada hidrológicos e de produção aquícola para prever PT ou NT. O modelo mecanístico de PT obteve R² ≈ 0,30 e PBIAS = ±11%, enquanto o KNN apresentou o melhor desempenho (R² ≈ 0,53, PBIAS ≈ ±9%). Para NT, os modelos mecanístico e AD superaram os demais (R² ≈ 0,28, PBIAS = ±10%). A combinação dos modelos mecanístico ou dos melhores modelos de AM (KNN, AD) com uma relação empírica de lei de potência para prever Cla (em função de PT, NT, volume e precipitação) apresentou alta precisão (R² > 0,70, PBIAS < 3%). O uso apenas de AM para prever Cla resultou em desempenho inferior (R² = 0,22, PBIAS = 17%). A mortandade de peixes apresentou correlação com NT (R² = 0,37), e um modelo híbrido mecanístico-AD previu mortandade com alta precisão (R² = 0,90, PBIAS = –8,47%). No geral, os resultados dos modelos revelaram que a qualidade da água melhora para maiores volumes de armazenamento, menores vazões de entrada e maiores vazões de saída. Apesar das limitações de dados, o estudo apresenta modelos robustos e generalizáveis para gestão da qualidade da água e avaliação de riscos ecológicos em reservatórios.

Palavras-chave:
Modelagem eco-hidrológica; Eutrofização; Reservatórios semiáridos; Modelagem da qualidade da água