ICTR n10 Final · fluxo são as principais características que diferenciam o escoamento em rios,...

Revista Brasileira de Ciências Ambientais – número 1620

AVALIAÇÃO DAQUALIDADE DA ÁGUA E

AUTODEPURAÇÃO DOSRIOS DA BACIA DO RIO

PIRACICABA

Celimar Azambuja TeixeiraUniversidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPRAv. Sete de Setembro, 3165 – DACOC - CEP: 80230-

901 – Curitiba – PR – Brasil –Fone: 41- 33104806,[email protected]

Rubem La Laina PortoEscola Politécnia da Universidade de São Paulo – Poli/

USP Av. Prof. Luciano Gualberto,380 - PHD – CEP:05508-900 – São Paulo – SP – Brasil –Fone: 11-

3091-5549. [email protected]

RESUMOAtualmente, uma das maiores causas da escassez dos recursos hídricos, principalmente nos gran-des centros urbanos, se deve a degradação da qualidade da água, a qual é decorrente dos lançamen-tos inadequados de efluentes industriais e esgotos domésticos. Dentro desse contexto, odesenvolvimento e a aplicação de modelos que consideram aspectos de quantidade e qualidade deágua são extremamente necessários para resolver este problema de maneira racional. Desta forma,o objetivo do presente trabalho consiste no desenvolvimento de uma ferramenta computacionalcapaz de gerenciar de forma integrada os aspectos de quantidade e qualidade de água em uma baciahidrográfica, considerando os parâmetros de enquadramento dos corpos d’água, de acordo com aresolução CONAMA 357/2005. Esta ferramenta computacional consiste em um modelo matemáticopara o gerenciamento de recursos hídricos e pode ser aplicado em qualquer bacia hidrográfica,porém especificamente neste estudo o modelo foi aplicado na bacia do rio Piracicaba, sendo queesta apresenta inúmeros conflitos pelo uso da água. A estrutura do modelo AcquaNet é compostapor modelos distintos de quantidade e qualidade de água, porém apresentando a capacidade deinteragir entre si. Os aspectos de quantidade de água são tratados através da otimização das vazõesem uma bacia hidrográfica. Já o modelo de qualidade de água é capaz de determinar as concentra-ções de diversos constituintes de qualidade de água, tais como DBO, OD, coliformes totais, fósforototal, algas, nitrogênio orgânico, amônia, nitrito e nitrato em diversos trechos dos rios que compõemuma bacia.PALAVRAS-CHAVE:AcquaNet, gerenciamento de quantidade e qualidade, bacia do Piracicaba

ABSTRACTCurrently, one of the major causes of water resources shortage, especially in large urban centers, isthe degradation of water quality, caused by inadequated releases of industrial effluent and domesticsewage. Within this context, the development and application of models, that consider aspects ofwater quantity and quality, is extremely necessary to solve this problem in a rational way. Thus, thepurpose of this study is to develop a computational tool able to manage in an integrated manner theissues related to water quantity and quality of in a river basin, considering water bodies classificationparameters, according to CONAMA 357/2005 resolution. This computational tool is a mathematicalmodel for managing water resources, and can be applied in any river basin. Specifically for this study,the model was applied in Piracicaba watershed, where numerous conflicts related to the use of wateroccour. Distinct models of water quantity and quality that interact mutually compose the structure ofthe model AcquaNet. The issues related to water quantity are processed by means of flow ratesoptimization in a watershed. On the other hand, the model of water quality is capable of determiningconcentrations of various constituents of water quality, such as BOD, DO, total coli form, totalphosphorus, algae, organic nitrogen, ammonia, nitrite and nitrate in several stretches of rivers.KEYWORDS:AcquaNet, water quantity and quality modeling, Piracicaba watershed

GestãoAmbiental

agosto 2008 21

INTRODUÇÃOO grande desafio para os próximos

anos, na área de recursos hídricos, é oatendimento das demandas naquantidade necessária e com aqualidade apropriada, como também apreservação das águas, que vêmsofrendo grandes prejuízos em virtudeda poluição descontrolada.

O presente trabalho tem por objetivoapresentar a metodologia de um modelopara o gerenciamento de quantidade equalidade da água, além de sua aplicaçãona bacia do rio Piracicaba.

Segundo Silva & Ribeiro (2006), umdos maiores desafios da gestão derecursos hídricos no âmbito daimplementação e do entendimento dosinstrumentos de gestão, está em integrá-los. De forma, que a outorga deve definircotas de água e de lançamentos deefluentes que, por sua vez, deverão tersuas quantidades cobradas em funçãode uma série de critérios, entre os quais,os objetivos de qualidade que se desejapara o corpo hídrico – expresso peloseu enquadramento. Todo esse arranjodeverá ser configurado em umconsistente plano de recursos hídricos eo conjunto de informações organizadono banco de dados do sistema deinformações sobre recursos hídricos.

Na Resolução Conama 357/2005ficou estabelecido que os limites deDemanda Bioquímica de Oxigênio(DBO) para as águas doces de classes 2e 3, poderão ser elevados, caso oestudo da capacidade deautodepuração do corpo receptordemonstre que as concentraçõesmínimas de oxigênio dissolvido (OD)previstas não serão desobedecidas, nascondições de vazão de referência, comexceção da zona de mistura. Além disso,a Resolução Conama 357/2005 leva emconsideração a concentração dospoluentes e não a carga gerada.

Segundo Gonçalves et al. (2008), agestão de recursos hídricos é tarefa difícil.Os gestores precisam racionalizar o usode recursos financeiros destinados àsobras de saneamento. Esta visão justifica-se pela carência de recursos, sendoinevitável utilizarem o curso d‘água comocomplementação dos processos queocorrem no tratamento de esgotos,ampliando as opções tecnológicas detratamento em consonância com aqualidade do corpo receptor.

No desenvolvimento do modeloAcquaNet buscou-se criar umaferramenta de apoio à gestão derecursos hídricos na qual se consideramos critérios de enquadramento doscorpos d‘água, permitindo analisar ascondições ambientais de um rio,associadas às classes de uso daCONAMA 357/2005. A metodologia levaem conta as retiradas de água e oslançamentos pontuais, além daautodepuração do rio.

Os modelos de qualidade de águarelacionam o transporte de umasubstância ao longo do tempo e doespaço, sendo que este transporte estasujeito aos processos físicos, químicos ebiológicos. O transporte ocorre devido àadvecção, difusão e dispersão dassubstâncias no corpo d‘água. A advecçãode uma substância é o transporteresultante do gradiente do escoamento. Adifusão é a variação da concentraçãocom base no gradiente da própriasubstância, ou seja, é o resultado domovimento molecular de um ponto dealta concentração para um de baixaconcentração. A dispersão é o efeito daflutuação turbulenta sobre aconcentração, quando o fluído é descritopela velocidade média, num volume finito,considerando que existem partículas queescoam com velocidade diferente damédia, existe uma ação dispersiva noescoamento e na concentração de umasubstância (Tucci, 1998).

Em se tratando de modelagem dequalidade de água e considerando asdiferenças no comportamento dosdiferentes corpos d‘água, torna-senecessário o desenvolvimento demodelos específicos para análisediferenciada de rios e lagos.

A velocidade e a profundidade dofluxo são as principais características quediferenciam o escoamento em rios, doescoamento em reservatórios e lagos.

De acordo com McCutcheon(1989), os modelos de qualidade deágua podem ser agrupados em quatrodiferentes classes; os modelosconcentrados (dimensão zero) ondeum segmento do escoamento édescrito por um elementocomputacional simples, ignorandoqualquer variação lateral, vertical elongitudinal que deva ocorrer. Osmodelos unidimensionais consideramos gradientes na direção longitudinal erelacionam elementos computacionaisque se estendem à jusante noescoamento. Os modelosbidimensionais descrevem variações emduas direções, em geral, nas direçõeslateral e longitudinal. Já os modelostridimensionais descrevem osgradientes nas direções lateral,longitudinal e vertical dos parâmetrosde qualidade da água.

As maiores dificuldades na utilizaçãodos modelos bi e tridimensionais sereferem à obtenção de dados, aogrande número de parâmetros e ainstabilidade numérica.

Os modelos de qualidade de águautilizados na representação dosfenômenos de transporte de massa emrios são, em geral, unidimensionais erepresentam o escoamento através davelocidade média na seção transversal,desprezando as variações nas outrasdireções. No caso dos lagos ereservatórios, onde as variações dedensidade e temperatura da água são


marcantes, com freqüência torna-senecessário à utilização de modelos bi outridimensionais.

Na modelagem de qualidade de águaem rios normalmente não se consideraa zona de mistura. Admite-se quequando um material entra no corpod’água, ele imediatamente mistura com oescoamento.

De acordo com a Unesco (1984),existe uma tendência, principalmente nosEUA, ao desenvolvimento de pacotescomputacionais que podem seraplicados a sistemas generalizados derios, lagos e reservatórios. Entretanto, porcausa da generalidade dos modelos,muitos pesquisadores têm preferido àadaptação destes a um problema emparticular, ou ainda a elaboração demodelos sob medida. Embora issonecessite de mais tempo, existe avantagem em relação ao aprendizado,isto é particularmente valioso noprocesso de gerenciamento, pois há odesenvolvimento de uma sensibilidadena tomada de decisão.

Muitos modelos de qualidade deágua de rios já foram desenvolvidos,

destacando-se o Qual2E, OTIS e HEC5.O modelo Qual2E é capaz de simular

15 variáveis de qualidade de água. Sãoelas: OD, DBO, temperatura, algas eclorofila, nitrogênio orgânico, amônia,nitrito, nitrato, fósforo orgânico, fósforodissolvido, coliformes, três constituintesconservativos e mais um constituinte nãoconservativo arbitrário. O modelopermite a incorporação de descargaspontuais, tributários, captações eincrementos relacionados às fontesdifusas (Brown e Barnwell, 1987).

O modelo OTIS (One-DimensionalTransport with Inflow and Storage),desenvolvido pelo USGS (United StateGeological Survey) tem como relaçãoprincipal a equação de advecção-dispersão com termos adicionais paraquantificar o armazenamento transiente,afluxo lateral e o decaimento de primeiraordem. O armazenamento transienterefere-se à detenção temporária desubstâncias em pequenas bolsas deágua parada, quando comparadas como movimento mais rápido que aconteceperto do centro do canal principal(Runkel, 1998).

O modelo HEC5 pode ser utilizadopara determinar a qualidade de águaem sistemas de rios e reservatórios, foidesenvolvido pelo US Army Corps ofEngineers em Davis, Califórnia (Unesco,1984).

O AcquaNet, objeto desse estudo, éum modelo unidimensional capaz dedeterminar a concentração das seguintesubstâncias; DBO, OD, coliformes totais,fósforo total, algas, nitrogênio orgânico,amônia, nitrito e nitrato em diversostrechos de rios, em função de sua vazão,dos lançamentos ocorridos e doprocesso de decaimento dos poluentes(Teixeira e Porto, 2004).

MATERIAIS E MÉTODOSO AcquaNet é um modelo de rede

de fluxo que engloba o gerenciamentode quantidade e qualidade de água. Taisaspectos podem trabalhar isoladamenteou de forma integrada, dependendo dasnecessidades do usuário (Teixeira ePorto, 2004).

O modelo de qualidade de águapode ser utilizado em rios, considerandolançamentos pontuais, tais como aentrada de efluentes industriais e adescarga de esgotos domésticos,podendo simular as concentrações deDBO, OD, Coliformes Totais, Fósforo Total,Algas, Nitrogênio Orgânico, Amônia,Nitrito e Nitrato.

No processo de modelagem, os riosestão sendo considerados comoescoamentos unidimensionais e estãosujeitos, principalmente, aos fenômenosde conservação de massa e de reaçõescinéticas. Sendo que o rio pode serdividido em trechos, como na figura 1.

Cada trecho deverá apresentarparâmetros constantes, tais como: áreada seção, declividade, velocidade, vazão,altura média da lâmina d‘água, entreoutros. Cada segmento representa umFigura 1: Subdivisão de um trecho do rio em segmentos – Fonte: Runkel (1998).

agosto 2008 23

volume de controle sobre o qual asequações que governam o balanço demassa serão aplicadas. Para um dadotrecho, haverá um determinado númerode volumes de controle decomprimento DX.

A equação de balanço de massarelacionando a conservação de massa ea reação cinética é a seguinte:

(1)

Acumulação = Dispersão –Advecção+ Reações Cinéticas+ FontesExternas

Onde: V: volume; Ac: Área da seçãotransversal do canal; E: coeficiente dedispersão; c: concentração do poluente;U: velocidade média; x: distância; S:fontes externas.

A equação 1 foi dividida pelo volumea fim de simplificar a estrutura dostermos. Cabe ressaltar que o termo AcEestá dentro de uma derivada, sugerindoque este termo é uma variável ao longodo volume de controle. Foi assumidoque este termo não muda em dx,portanto foi possível colocá-lo fora dodiferencial e assim dividir toda a equaçãopelo volume. Além disso, o modelo nãorelaciona as fontes externas, portanto aequação resultante é a seguinte:

(2)

O termo referente às reações cinéticaspode ser demonstrado em função dataxa de decaimento k e da concentraçãoc do poluente no instante t, conforme:

(3)

O modelo de qualidade de águapode apresentar duas formas parasolução do problema: estado constanteou permanente e variando no tempo.

A solução para o estado constanteou permanente considera que nãoexiste variação da concentração emrelação ao tempo, ou seja, numdeterminado dia ou mês. Sendo assim,pode-se assumir que:

(4)

A equação de balanço de massatambém pode ser chamada de equaçãode advecção-dispersão-reação econsiderando que os diferenciais parciaispodem ser substituídos por derivadasparciais, então:

(5)

Segundo Chapra (1997), o termo Eda eq. (5) refere-se ao coeficiente dedispersão, tal parâmetro é muitosignificativo em escoamentos dispersivos,tais como os estuários. No caso dos rios,o fenômeno da advecção (parcelareferente à velocidade) é o que temmaior importância. Baseando-se nesseprincípio, a parcela da dispersão podeser eliminada na equação de balanço demassa e, portanto para os rios assume-se que:

(6)

Para solucionar a equação 6, amesma deverá ser aplicada para cadaum desses volumes de controle, comodemonstra a figura 1. Outra forma deresolver o problema é através da suaintegração, obtendo-se uma soluçãoanalítica para a questão.

Assumindo que a velocidade (U)deve ser constante no trecho do rio eque corresponde a um DX (distância)por um Dt (intervalo de tempo), então:

(7)

Considerando a forma geral para umdeterminado decaimento, a simplificaçãoda velocidade e integrando sua equação,tem-se que:

e (8)

portanto:

e (9)

Integrando essa equação tem-se que:

(10)

(11)

Assumindo que o t (tempo) é adistância dividida pela velocidade, então:

(12)

Isso significa dizer que a massa deum constituinte de qualidade da águapercorre um determinado trecho comuma velocidade constante U.

Primeiramente, o rio deverá seranalisado quanto as suas característicashidrogeométricas e quanto aos pontosde entrada de efluentes e retiradas deágua. Isto quer dizer que toda vez quehouver alterações nas característicashidrodinâmicas do rio, como porexemplo: alterações de velocidade, deárea, de vazão ou do coeficiente dedispersão um novo trecho deverá sercriado e também quando houver algumponto de entrada ou de retirada deágua no rio.

A obtenção da solução de cada umdos diversos poluentes consideradosno modelo de qualidade de água, sedá a partir do termo descritosnas equações (13) a (21).


REAÇÕES CINÉTICASOs constituintes considerados no modelo são: DBOu

(DBO última), OD, nitrogênio orgânico, amônia, nitrito,nitrato, fósforo total, algas e coliformes totais.

As reações cinéticas dos constituintes qualidade deágua podem ser representadas matematicamente pelasexpressões a seguir. Cada uma dessas equações éresultado de um complexo processo químico e biológicoque o constituinte presente no corpo d’água está sujeito.

Algas (A): (13)

Nitrogênio Orgânico (No):

(14)

Amônia (Na): (15)

Nitrito (Ni): (16)

Nitrato (Nn): (17)

Fósforo Total (P): (18)

DBO (L): (19)

OD(o): _ (20)

Coliformes Totais (Coli): (21)

Sendo que a taxa das perdas totais dos coliformes édada por:

(22)

Quanto ao OD (oxigênio dissolvido), pode-se dizerque a sua respectiva equação relaciona a demanda deoxigênio referente a DBO Carbonácea e a NDBO (DBONitrogenosa referente ao nitrogênio oxidável, que é aconcentração do nitrogênio orgânico somada a daamônia), além dos efeitos de crescimento e respiraçãodas algas relacionados a fotossíntese, em função dosparâmetros de luz e do nutriente limitante.

O modelo corrige internamente as taxas dedecaimento (os ks) para a temperatura de 20oC.

Todos os parâmetros das eqs. (13) a (21) estão identificados a seguir:kkkkkddddd : taxa de decomposição da DBO ou desoxigenação [d-1];

kkkkkaaaaa : taxa de reaeração, diversos autores propõem fórmulas para suadeterminação, o Modelo de qualidade de água traz as fórmulas deChurchill et al., O’Connor e Dobbins, Owens et al. e Langbien e Durum [d-1];

kkkkksssss : taxa de sedimentação da DBO [d-1] ;

SODSODSODSODSOD: demanda de oxigênio no sedimento [g m-2 d-1] ;

ooooo: concentração do oxigênio dissolvido presente no corpo d’água [mg L-1];

ooooosssss : concentração de saturação do oxigênio dissolvido, obtido em funçãoda temperatura [mg L-1];

kkkkkggggg : taxa de crescimento das algas [d-1];

kkkkkrarararara : taxa de perda de biomassa de algas devido o processo de respiração[d-1];

s11111 : demanda de oxigênio no sedimento pela algas [g m-2 d-1];

s22222 : demanda de oxigênio no sedimento pelo fósforo [g m-2 d-1];

s33333 : demanda de oxigênio no sedimento pela amônia [g m-2 d-1];

s44444 : taxa de sedimentação do nitrogênio orgânico [d-1];

s55555 : taxa de sedimentação do fósforo orgânico [d-1;

HHHHH : profundidade média do rio no trecho considerado, obtida pelaequação de Manning [m];

kkkkkppppp : taxa de decaimento do fósforo [d-1];

FFFFF : fator de limitação do nutriente (nitrogênio);

aaaaananananana : razão estequiométrica do nitrogênio com relação as algas (clorofila)[gN mg-Chla-1];

aaaaapapapapapa : razão estequiométrica do fósforo em relação as algas (clorofila)[gP mg-Chla-1];

rrrrroaoaoaoaoa : razão estequiométrica do oxigênio em relação a amônia [gO gN-1];

rrrrroioioioioi : razão estequiométrica do oxigênio em relação ao nitrito [gO gN-1];

rrrrrononononon : razão estequiométrica do oxigênio em relação a nitrogênio total[gO gN-1];

rrrrroAoAoAoAoA : razão estequiométrica do oxigênio em relação as algas definida pelaclorofila A [gO mgChla-1];

PPPPP : razão de fotossíntese;

RRRRR : razão de respiração.

kkkkkoaoaoaoaoa : taxa de transformação de nitrogênio orgânico em amônia;

kkkkkaiaiaiaiai : taxa de transformação de amônia em nitrito;

kkkkkininininin : taxa de transformação de nitrito em nitrato;

agosto 2008 25

Os parâmetros kkkkkoa, oa, oa, oa, oa, kkkkkai ai ai ai ai e kkkkkin in in in in são multiplicados internamenteno modelo pelo fator de nitrificação (fffffnitrnitrnitrnitrnitr), obtido através daseguinte equação:

(23)

Onde = coeficiente de primeira ordem referente àinibição da nitrificação (» 0,6), é considerado igual a 1 paraconcentrações de OD maiores que 3 mg/l.

Integrando as equações dos diversos poluentes (equações13 a 21), chega-se a formulação analítica, a qual foi utilizada nomodelo de qualidade de água e que é demonstrada a seguir.

As fórmulas para a determinação de DBO e ODcorrespondem ao modelo clássico de Streeter-Phelps.

- Fórmula para determinar a concentração da DBOu (L):

(24)

Onde k k k k kddddd = taxa de decomposição da DBO oudesoxigenação e k k k k ksssss = taxa de sedimentação da DBO.

A fórmula correspondente à determinação do oxigêniodissolvido relaciona vários fatores, entre eles: o déficit de ODinicial, a relação da DBO-Carbonácea, a relação do SOD(Demanda de Oxigênio pelo Sedimento), a relação da DBOdistribuída e presente no sedimento e a relação da DBOnitrogenosa.

- Fórmula total para determinar a concentração do Déficit deOD (o):

(25)

(26)

Sendo que a taxa de saturação de oxigênio é dada emfunção da temperatura, conforme equação 27.

(27)

(28)

Onde: kkkkkaaaaa = taxa de reaeração, SODSODSODSODSOD = = = = = demanda de oxigêniono sedimento, o o o o o = = = = = concentração do oxigênio dissolvidopresente no corpo d’água [mg L-1], o o o o osssss = concentração desaturação do oxigênio dissolvido, kn kn kn kn kn = = = = = taxa de nitrificação, L L L L LN0N0N0N0N0

= DBO nitrogenosa, P e RP e RP e RP e RP e R = = = = = Razão da fotossíntese erespiração respectivamente.

Muitos pesquisadores desenvolveram fórmulas paradeterminar a taxa de reaeração nos corpos d’água, as maisusuais são apresentadas na tabela 1.

A determinação das concentrações oriundas do ciclo donitrogênio tem como base o modelo de nitrificaçãoapresentado por Chapra (1997).

- Fórmula para determinar a concentração do NitrogênioOrgânico (No):

(29)

- Fórmula para determinar a concentração da Amônia (Na):

(30)

- Fórmula para determinar a concentração do Nitrito (Ni):

(31)

Tabela 1: Fórmulas paradeterminação dareaeração – Fonte: Chapra(1997).


-Fórmula para determinar a concentração do Nitrato (Nn):

(32)

Sendo que: kkkkkoaoaoaoaoa = taxa de transformação de nitrogênioorgânico em amônia, kkkkkaiaiaiaiai = taxa de transformação de amôniaem nitrito e kkkkkininininin = taxa de transformação de nitrito em nitrato.

- Fórmula para determinar a concentração das Algas (a):Para a determinação da concentração das algas, primeiramente

torna-se necessário definir a taxa de decaimento Knet.

(33)

O Knet pode ser determinado a partir da seguinte equação:

(34)

Onde: kkkkkggggg (T (T (T (T (T,N, I),N, I),N, I),N, I),N, I) = = = = = taxa de crescimento das algas emfunção da temperatura, presença de nutrientes e condições deluz, k k k k krarararara = taxa de perda de biomassa de algas devido oprocesso de respiração; VVVVVaaaaa = velocidade de sedimentação e HHHHH= profundidade média do rio no trecho considerado.

- Fórmula para determinar a concentração dos Coliformes(COLI):

(35)

Sendo k k k k kCOLICOLICOLICOLICOLI : taxa de decaimento dos coliformes [d-1].-Fórmula para determinar a concentração do Fósforo (P):

(36)

Onde kkkkkppppp : taxa de decaimento do fósforo [d-1].O AcquaNet consiste na integração dos modelos de

quantidade e qualidade de água . Os dados de entrada domodelo de quantidade são as séries históricas de vazão nosdiversos trechos do rio e os dados de saída são valoresotimizados de vazões de acordo com o cenário definido pelousuário, em função dos diversos usos da água na bacia. Estasvazões otimizadas pelo modelo de quantidade de águaconstituem-se como dados de entrada para o modeloqualidade e que por sua vez fornece como dados de saída às

concentrações mensais dos poluentes simulados nos maisdiversos pontos da bacia.

A questão do gerenciamento de recursos hídricos envolvegrandes sistemas que acabam resultando em grandes redes defluxo no modelo AcquaNet, com muitos reservatórios, nós depassagem, links e demandas. A quantidade de dados envolvidana simulação é enorme, visto que os dados se configuram naforma de séries temporais.

O AcquaNet analisa as condições do rio considerando osparâmetros de qualidade da água em função doenquadramento dos corpos d’água, definidos pela ResoluçãoConama 357/2005. Desta forma, o usuário informa ao modeloa classe do rio e o modelo informa se as concentrações estãoenquadradas ou não de acordo com a referida resolução.

Na hipótese de não enquadramento, o usuário poderáatribuir diversos níveis de tratamento aos efluentes lançados,para verificar qual o tratamento mais adequado para que o rioobedeça ao enquadramento.

Vale enfatizar que, por se tratar de modelagem matemáticaalgumas hipóteses e simplificações foram admitidas quando doprocesso de formulação do modelo. O AcquaNet tem porobjetivo auxiliar na gestão de recursos hídricos e portanto onível de conhecimento e a sensibilidade do usuário emtrabalhar com os dados são de fundamental importância paraa qualidade dos resultados. Visto que o processo demodelagem de qualidade das águas requer um intenso econstante monitoramento dos corpos d’água, alocandorecursos, equipamentos e pessoal qualificado.

RESULTADOSPara a validação e calibração do modelo AcquaNet para

uma situação real, utilizou-se a bacia do Rio Piracicaba comoárea de estudo.

Esta bacia foi escolhida por apresentar diversos dados, tantode quantidade como de qualidade de água. Além disso, elarepresenta uma bacia complexa no cenário nacional derecursos hídricos, apresentando disputas pelos usos da água ecomprometimento de sua qualidade.

Como o modelo trabalha num cenário de rede de fluxo,procurou-se montar a rede levando em consideração ospontos de lançamento e retiradas de água que ocorrem emtoda a bacia. Também foram consideradas as indústrias ecidades que tem algum tipo de influência, retirada de água oulançamento de efluente nos rios. Tais dados referem-se aoestudo realizado pela Secretaria do Meio Ambiente do Estadode São Paulo (SMA – SP, 1994).

agosto 2008 27

VALIDAÇÃO E CALIBRAÇÃO DOMODELONas simulações realizadas, considerou-

se o período de dados de seis anos,compreendendo entre os anos de 1979a 1984. Este período foi escolhido porapresentar dados mensais de qualidadede água e também por coincidir com aexistência de dados de vazões mensaisneste período.

Para os dados de entrada das vazõesafluentes foram considerados os postosfluviométricos de responsabilidade doDAEE (Departamento de Água e EnergiaElétrica) e quanto aos dados dequalidade de água foram utilizados ospostos de monitoramento da Cetesbexistentes na bacia do Rio Piracicaba.

Através da formulação de Manning, omodelo calcula a velocidade média e aprofundidade, em função da vazãomédia mensal determinada pelo modelode quantidade de água.

O AcquaNet avalia as condições do rioe seleciona automaticamente a fórmulamais adequada para definir a taxa dereaeração, conforme tabela 1. O usuáriodo modelo ainda tem a opção de atribuirum valor que julgar mais conveniente.Além disso, os coeficientes de qualidadede água são definidos nos vários trechosdo rio, correspondentes aos links da redede fluxo criados pelo usuário para simulara bacia hidrográfica, conforme figura 2.

O modelo apresenta os resultados naforma de tabelas e gráficos. Os dados dastabelas poderão ser exportados paraaplicativos como o Excel, permitindooutros tipos de análises.

Para comparar os dados observadoscom os simulados, buscaram-se pontosespecíficos na bacia e que foramrepresentados no modelo, conformetabela 2. Estes mesmos pontos estãodestacados, por círculos maiores na redede fluxo apresentada na figura 3.

Tabela 2: Descrição dos pontos de verificação e Cetesb.

Figura 2: Tela de entrada de dados nos links (trechos de rio).

Figura 3: Rede de fluxo destacando os pontos de verificação através de círculos azuis.


Nas simulações de qualidade de águaforam analisadas apenas asconcentrações de DBO e OD. Asconcentrações dos demais constituintesde qualidade de água não foramconsideradas por não existirem dadossuficientes para suas simulações nomodelo. Quanto aos resultados dequantidade de água, pode-se dizer queas demandas foram supridassatisfatoriamente. Os valores doscoeficientes de DBO e OD que foramutilizados nas simulações foram os

Figura 4: Comparação dos dados de DBO do Rio Atibaia.

Tabela 4: Características HidrodinâmicasFonte: Teixeira e Porto (2004).

Tabela 3: Temperatura e Coeficientes CinéticosFonte: Teixeira e Porto (2004).

Figura 5: Comparação dos dados de OD do Rio Atibaia.

Figura 6: Gráfico Box Plot para os resultados de DBO fornecidos pelo AcquaNet

Figura 7: Gráfico Box Plot para os dados de DBO do posto da CETESB AT-2605

agosto 2008 29

valores médios apresentados naliteratura atual e que responderam deforma satisfatória no processo decalibração do modelo, de acordo com atabela 3. Já as característicashidrodinâmicas dos rios estão descritasna tabela 4.

Para o Rio Atibaia, as comparaçõesde DBO e OD entre os dados simulados(AcquaNet) e observados (fornecidospela CETESB) são mostradas nas figuras4 e 5, respectivamente.

Para uma melhor comparação entreos valores simulados e os dadosobservados utilizou-se de dadosestatísticos das concentrações de DBO,conforme figuras 6 e 7. Para os valoresde OD, os mesmos são apresentadosnas tabelas 5 e 6.

As comparações dos dadossimulados e observados, para o RioJaguari, são mostradas nas figuras 8 e 9.Os dados estatísticos das concentraçõesde DBO e OD podem ser usados paracomparar melhor os valores simuladoscom os dados observados do nó PV2com os valores do posto demonitoramento da Cetesb JA-2800,conforme tabelas 7, 8, 9 e 10.

Tabela 6: Dados Estatísticos referentes ao OD do posto da CETESB AT-2605

Tabela 5: Dados Estatísticos referentes ao OD do ponto PV1 fornecido pelo AcquaNet

Figura 8: Comparação dos valores de DBO do Rio Jaguari. Figura 9: Comparação dos dados de OD do Rio Jaguari.

Tabela 7: Dados Estatísticos referentes à DBO do ponto PV2 fornecido pelo AcquaNet

Tabela 8: Dados Estatísticos referentes à DBO do posto da CETESB JA-2800


Comparações de dados simulados eobservados do rio Piracicaba conformefiguras 10 e 11.

Nas tabelas 11, 12, 13 e 14, sãoapresentados parâmetros estatísticospara o Rio Piracicaba, das concentraçõesde DBO e OD.

DISCUSSÃO DOS RESULTADOSCom a aplicação do AcquaNet na

bacia do Rio Piracicaba, pode-se testar ecalibrar o modelo para uma situação reale conforme mostraram os resultados, omodelo respondeu de forma satisfatória.

Tanto para o rio Atibaia como para oJaguari, os valores máximos daconcentração de DBO apresentados pelaCetesb são provavelmente picos delançamentos que ocorreram emdeterminados meses. Estes valores oAcquaNet não consegue representar,porque no modelo entrou-se comvalores médios de lançamentos e queforam considerados os mesmos paratodos os meses da simulação, por essemotivo os resultados apresentados pelomodelo apresentaram umcomportamento mais uniforme.

Já para o rio Piracicaba, os valoresmantiveram também umcomportamento mais homogêneo, deacordo com as figuras 10 e 11.


Tabela 10: Dados Estatísticos referentes ao OD do posto da CETESB JA-2800

Figura 11: Comparação de OD do Rio PiracicabaFigura 10: Comparação da DBO do Rio Piracicaba.

Tabela 11: Dados Estatísticos referentes à DBO do ponto PV3 fornecido pelo AcquaNet

Tabela 12: Dados Estatísticos referentes à DBO do posto da CETESB PI-2800

agosto 2008 31

CONCLUSÕESA utilização de modelos de qualidade

de água e a sua calibração consistemnuma etapa trabalhosa, requerendo dousuário do modelo sensibilidade quantoaos processos de autodepuração dosrios e dos processos de qualidade daságuas.

Considerando que o objetivo domodelo AcquaNet é auxiliar noplanejamento de recursos hídricos.Pode-se dizer que para a bacia do RioPiracicaba, o processo de calibraçãomostrou que os resultados fornecidospara os pontos de verificação – PV1,PV2 e PV3 da rede de fluxo,responderam de forma satisfatóriaquando comparados com os dadosobservados nos postos demonitoramento da CETESB.

Portanto, o AcquaNet se mostroueficiente e pode auxiliar na gestão derecursos hídricos, podendo aindarelacionar níveis de tratamento para osesgotos e efluentes lançados no rio, como objetivo do enquadramento do corpod’água de acordo com a legislaçãoambiental.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS- BROWN, L. C. & BARNWELL Jr. T. O, “ComputerProgram Documentation for the enhanced streamwater quality model Qual2E and Qual2E-UNCAS”,Report EPA 600/3-87/007, US EnvironmentalProctetion Agency, Athens – Georgia – USA, 1987;

- CETESB, “Relatório sobre o controle de qualidadeda água para consumo humano”, Série Relatórios,1997;

- CHAPRA, S. C., “Surface Water Quality Modelling”– University of Colorado at Boulder, 1997;

- CONAMA, “RESOLUÇÃO CONAMA 357 de 17de Março de 2005”, Ministério do Meio Ambiente,Brasília.

- EIGER, S., “Modelagem do transporte depoluentes no meio ambiente” – Simpósio dePesquisa da Escola Politécnica da USP, São Paulo –EPUSP, 1997;

- EPA (United StateEnviroment Protection Agency)“Qual2E Windows Interface User’s Guide”, 1995;

- GONÇALVES, J.C.S, MALDONADO, L.H.,PINHEIRO, H. D, PENNER, G.C. e GIORGETTI, M.F.,Desenvolvimento de Modelo para simulação emregime não permanente da qualidade da água emrios, utilizando o software VenSim Ple, Anais do XIIISilubesa, Belém – PA, 2008;

- McCutcheon, S.C., Transport and surface exchangein rivers, Boca Raton, CRC Press, 1989;


Tabela 14: Dados Estatísticos referentes ao OD do posto da CETESB PI-2800

- RUNKEL, R. L., “One-Dimensional Transport withInflow and Storage (OTIS): A Solute TransportModel for Streams and Rivers”, USGS – Denver,Colorado – 1998.

- SILVA, S.C. & RIBEIRO, M. M. R., “Enquadramentodos corpos d’água na bacia do Rio Pirapama – PE”,Revista da Assoc. Brasileira de Engenharia Sanitária,Vol.11 – N.4 – Out/Dez 2006, pp.371-379.

- SMA-SP (Secretaria do Meio Ambiente do Estadode São Paulo). “Estabelecimento de metasambientais e reenquadramento dos corpos d’água:Bacia do Rio Piracicaba”, 1994 (ISSN 0103-4103).

- TEIXEIRA, C. A & PORTO, R. L., “GerenciamentoIntegrado de Quantidade e Qualidade de Água”,Tese (Engenharia Hidráulica e Sanitária), EscolaPolitécnica da USP, São Paulo, 2004;

- THOMANN, R. V. & MUELLER, J. A., “Principles ofSurface Water Quality Modeling and Control”, 1987.

- TUCCI, C.E.M., Modelos Hidrológicos – ColeçãoABRH, Porto Alegre, 1998;

- UNESCO Water Science Division, The applicationof Mathematical Models of Water Quality andPollutant Transport: An InternationalIntercomparison, Paris, 1984.

AgradecimentosOs autores agradecem à FAPESP pela

bolsa de estudo concedida durante arealização desta pesquisa.

ICTR n10 Final · fluxo são as principais características que diferenciam o escoamento em rios,...

Documents

Transcript of ICTR n10 Final · fluxo são as principais características que diferenciam o escoamento em rios,...