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1 SIMULAÇÃO DA QUALIDADE DE ÁGUA DO RIO CADEIA COM APLICAÇÃO DE MODELO MATEMÁTICO PARA DETERMINAÇÃO DO APORTE DE POLUENTES EM CURSOS D ÁGUA PROVENIENTES DE DRENAGEM DE ÁREAS RURAIS Mauro Kruter Kotlhar (1) Engenheiro Civil. Mestrando em Saneamento Ambiental no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Sérgio João de Luca, Ph D Professor Titular, IPH, UFRGS. FOTO Endereço (1) : Rua São Luis, apto Bairro Santana - Porto Alegre - RS - CEP: Brasil - Tel: (051) RESUMO O emprego de modelos matemáticos que representam os fenômenos naturais bem como as atividades antrópicas tem se constituído em valiosa ferramenta de apoio à decisão no âmbito do gerenciamento ambiental. A partir do diagnóstico obtido em trabalho anterior na Bacia do Rio Caí/RS, indicando as atividades rurais como uma das principais fontes de poluição hídrica, buscou-se a aplicação do modelo matemático SWRRBWQ - Simulator for Water Resources in Rural Basins - Water Quality de forma a quantificar o aporte de cargas poluidoras não pontuais rurais - agrotóxicos, fertilizantes, bem como sedimentos oriundos da erosão do solo - e verificar a sua contribuição na qualidade da água do corpo receptor, esta simulada com a aplicação do modelo QUAL2E. O estudo foi aplicado em uma sub-bacia do Rio Caí, o Rio Cadeia, de significativa importância regional. Na área de drenagem correspondente, foram levantadas todas as atividades geradoras de poluição hídrica de forma a aplpicar o modelo de qualidade da água - QUAL2E; da mesma forma, foram levantadas as culturas agrícolas e práticas usuais de manejo do solo e de pragas. Para verificação dos modelos, foram realizadas campanhas de amostragem de qualidade das águas em 7 pontos nos recursos hídricos da sub-bacia. A partir da estruturação dos modelos com os dados levantados, foi possível a simulação de cenários representando diferentes situações dentro da área estudada, de forma a gerenciar a qualidade dos recursos hídricos. PALAVRAS-CHAVE: Recursos Hídricos, Modelos Matemáticos, SWRRBWQ, Poluição Hídrica, Rio Cadeia/RS. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1995

2 INTRODUÇÃO O emprego de sistemas de apoio à decisão fundamentados na modelagem matemática de bacias hidrográficas tem se mostrado uma valiosa ferramenta de gerenciamento ambiental, permitindo que, a partir da caracterização geográfica e levantamento de atividades existentes na área de drenagem, possamos simular cenários que caracterizem as situações de particular interesse. Em áreas de intensa atividade rural, no que se enquadra a maior parte do Estado do Rio Grande do Sul, assume particular importância os aportes nos recursos hídricos decorrentes do manejo do solo e aplicação de produtos tais como fertilizantes e agrotóxicos, estes portadores de elevado potencial poluidor. O objetivo do trabalho foi a verificação da qualidade de um curso d'água em função das atividades poluidoras e modificadoras do ambiente existente em sua área de drenagem. Para a determinação dos aportes aor recursos hídricos geradas pelas atividades rurais foi empregado o modelo SWRRBWQ - Simulator for Water Resources in Rural Basins - Water Quality, desenvolvido para simular o transporte de sedimentos, nutrientes e pesticidas em bacias rurais grandes e complexas; para a simulação da qualidade da água no curso d'água foi empregado o modelo QUAL2E. A área escolhida para o estudo foi a subbacia do Rio Cadeia, pertencente à Bacia Hidrográfica do Rio Caí, um dos formadores da Bacia do Rio Guaíba, às margens do qual situa-se Porto Alegre, capital do estado do Rio Grande do Sul, definindo a sua particular importância. O Rio Cadeia é o principal afluente do Rio Caí, drenando cerca de 19% da área da bacia, nos quais encontram-se vários municípios importantes, destacando-se Nova Petrópolis (parcial), Gramado (parcial), Dois Irmãos, Morro Reuter, Ivoti e Portão, estimando-se que contribua com 27,2% da carga poluidora decorrente de drenagem urbana (Diagnóstico da Contaminação dos Recursos Hídricos na Bcia do Rio Caí (Ségio João de Luca et all, 1996). O trabalho referido identificou as atividades rurais como uma das principais fontes potenciais de poluição em sua área de drenagem; na sub-bacia do Rio Cadeia, as principais culturas são o milho (9.700 ha), laranja (7.800ha), mandioca (4200 ha), e batata inglesa (3.700 ha), estimando-se preliminarmente em litros o volume de agrotóxicos lançado no ambiente por ano, valores que podem ser substancialmente maiores a partir de uma maior conhecimento das práticas locais, a serem conhecidas no decorrer do trabalho. Estas conclusões despertaram o interesse na caracterização detalhada das cargas geradas pelas atividades rurais, determinado o emprego do modelo SWRRBWQ. METODOLOGIA Para a aplicação do modelo SWRRBWQ, a subbacia do Rio Cadeia foi subdividida em 22 subbacias, cujas cargas de contribuição foram distribuidas em 25 pontos de lançamento ao longo do Rio Cadeia (representando os seus principais afluentes). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1996

3 Para a aplicação do modelo de qualidade QUAL2E o Rio Cadeia foi subdividido em 8 trechos. Foram instalados 7 pontos de amostragem para a análise da qualidade das águas e medição de vazão. Os dados levantados para a realização do estudo foram: - a caracterização geomorfológica, a partir das cartas de levantamento aerofotogramétrico do Exército escala 1: e os dados contidos em AGRAR, 1971; - a identificação das atividades existentes e de ocupação em cada sub-bacia, obtidas a partir do Resumo Estatístico Municipal (FEE), do cadastro de atividades poluidoras da Divisão de Controle de Atividades Poluidoras/FEPAM e de informações prestadas pelas Prefeituras Municipais, destacando-se área urbanizada, esgotos sanitários e resíduos sólidos urbanos; - dados relativos ao manejo das culturas da região, obtidos junto à Secretaria de agricultura do Rio Grande do Sul e - dados de qualidade de água e de vazão dos cursos de água através de monitoramento em 7 pontos da bacia do Rio Cadeia. No decorrer do trabalho, foram verificados junto às Prefeituras Municipais e em vistoria na área de estudo os dados mais significativos relativos a fontes poluidoras bem como os usos das águas. As fontes de poluição avaliadas foram a população urbana, população rural, drenagem pluvial urbana e rural, atividades de criação de animais de pequeno e grande porte, resíduos sólidos urbanos, efluentes industriais tratados e agrotóxicos. A partir do levantamento das atividades existentes na área de drenagem, foram identificados os curtumes, aviários, pocilgas, culturas agrícolas e a ocupação urbana como principais fontes potenciais de poluição, as quais condicionaram os parâmetros analisados nas amostras coletadas, quais sejam, DBO 5, DQO, NTK,OD, Fosfatos, Nitratos, Nitritos, Sulfetos, Coliformes Fecais, Turbidez, Sólidos Totais, 2,4-D, Cloretos e Cromo. Para a determinação das cargas poluidoras geradas pelas atividades e usos do solo existentes na bacia de drenagem foram empregados: a) coeficientes que transformam o volume de efluentes em concentrações correspondentes a cada um dos parâmetros a serem simulados através do modelo, para cargas poluidoras pontuais (esgotos urbanos, depósitos de resíduos sólidos e efluentes industriais) obtidos a partir de estudos desenvolvidos por De Luca & Ide, 1991 (nos quadros a seguir apresentamos exemplos destes coeficientes para cargas poluidoras geradas por drenagem urbana e por resíduos sólidos urbanos); b) dados de saída do modelo matemático SWRRBWQ, para as cargas não pontuais. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1997

4 Coeficientes de Cargas Poluidoras Potenciais da Drenagem Pluvial Urbana (ton/ha.ano); NP= não pertinente Parâmetro Coeficiente Oxigênio Dissolvido NP Coliformes Fecais 1,5 x 10 9 ph 7,2 DBO 0,254 Nitrogênio Total 0,0243 Fósforo Total 0,003 Turbidez 859 Sólidos Totais 0,1295 Coeficientes de Cargas Poluidoras Potenciais da Disposição de Resíduos Sólidos Domésticos (ton/cap.ano). NP= não pertinente Parâmetro Coeficiente Oxigênio Dissolvido NP Coliformes Fecais 8,4 x 10 8 ph NP DBO 0, Nitrogênio Total 0, Fósforo Total 0, Turbidez NP Sólidos Totais NP Os pontos de amostragem foram locados de forma a individualizar os aportes mais representativos da bacia; abaio a caracterização dos mesmos: CF1 - no Rio Cadeia, próximo à foz CF2 - no Rio Cadeia, próximo e antes da foz do Arroio Feitoria, após receber as cargas provenientes de áreas urbanas de Nova Petrópolis, Pic ada Café, São José do Hortêncio e Linha Nova CF3 - no Rio Cadeia, próximo à Joaneta, representando o curso superior do Rio Cadeia, já com a contribuição do Arroio Tapera, em áreas ainda de baixa densidade populacional CF4 - junto à nascente do Arroio Tapera, adotado como ponto branco (à montante de qualquer contribuição) CF5 - no Rio Cadeia, junto à Barragem do Herval, representando a área de nascente do Rio Cadeia, drenando zona tipicamente rural CF6 - no Arroio Feitoria, junto à foz, já tendo recebido a contribuição de efluentes de Ivoti CF7 - no Arroio Feitoria, em Balneário próximo à BR 116, recebendo a contribuição de efluentes de Dois Irmãos, Morro Reuter e da área de nascente 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1998

5 Foram ainda comparados os dados coletados com os dados existentes em trabalhos executados pela FEPAM, da CORSAN e da Metroplam, além dos estudos em andamento em tese de mestrado na área. Para determinação da atenuação existente desde a geração dos efluentes das diversas fontes poluidoras até a entrada das cargas nos cursos d'água foram comparados os valores apresentados pelas análises de qualidade da água com os valores potencialmente lançados nestes pontos em função das atividades existentes na bacia de contribuição a montante, calculados em função dos dados de fontes levantados e da aplicação do modelo SWRRBWQ. RESULTADOS OBTIDOS Após a última campanha de coleta nos pontos de monitoramento de vazão e qualidade da água realizada em Maio/97, os modelos foram calibrados comparando-se as concentrações esperadas em função das cargas potenciais geradas na bacia com aquelas verificadas nas análises laboratoriais. O Quadro 1 apresenta inicialmente um resumo dos dados regionais que dão um oanorama geoeconômico da área objeto do estudo. A Figura 1 apresenta o Diagrama Unifilar empregado para a aplicação dos modelos. As letras de A a V representam as 22 subbacias que compõem a área estudada, e os valores percentuais as parcelas de cargas distribuidas nos diversos pontos de lançamento. O Quadro 2 apresenta os valores das cargas lançadas nos pontos indicados no Diagrama Unifilara, dados de entrada para o Modelo QUAL2E. O Quadro 3 apresenta as vazões de simulação utilizadas nos modelos. A vazão média de longo prazo (Qlp) reflete as médias históricas de vazão nas várias subbacias, descontadas as retiradas de água e acrescidos os suprimentos de outras bacias ou de água subterrânea. A vazão 7Q10 foi produzida a partir da análise hidrológica das sub-bacias, descontadas também as retiradas e acrescentados os suprimentos de outras bacias e de água subterrânea. O Quadro 4 apresenta as massas dos principais contaminantes da Bacia do Rio Caí. As seções CF1 a CF7 situam-se na área estudada, mostrando que, em termos médios, a carga de DBO em CF1 (exutório da sub-bacia do Rio Cadeia) representa cerca de 45% da carga total que chega à foz da bacia. Em termos de Nitrogênio, a bacia do Rio Cadeia produz 50% a mais da carga que chega à foz. Evidentemente, este excesso de NTK é oxidado no corpo d'água principal. A saturação de OD na foz do Rio Cadeia é 50% da esperada em função das cargas poluentes. Constata-se também altas cargas de Cromo associadas ao ponto CF6, localizada em região de curtumes. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1999

6 Comparativamente ainda com a bacia do Rio Caí como um todo, esta sub-bacia é bem menos contaminada Qua a bacia do corpo d'água principal em termos de coliformes fecais. No entanto, gera uma carga de turbidez equivalente ao do corpo principal, deteriorando a qualidade da água para tratamento e uso doméstico. Os sólidos totais, que englobam sais dissolvidos, representam 50% da carga de toda a bacia, refletindo o aporte de cargas industriais, cargas erosivas (sólidos dissolvidos e em suspensão de origem agrícola) e lixivias agropecuárias e populacionais. A massa de herbicidas utilizada é bastante alta, apesar das concentrações serem baixas. No entanto, em dois pontos do corpo d'água principal, a concentração observada de 9mg/l de 2,4- D coloca o rio em Classe 3. O maior aporte ocorre em CF2, com uma carga anual de 2,02 toneladas de 2,4-D. Resultados gráficos da simulação serão apresentados no Congresso. CONCLUSÃO Este trabalho testou uma ferramenta de extrema utilidade para diagnóstico de poluição proveniente de áreas rurais, particularmente quanto à decorrente de aplicação de agrotóxicos, de forma que, a partir da calibragem dos modelos matemáticos utilizados, possa ser utilizado em qualquer outra região. Complementarmente, como requisito básico para a aplicação deste modelo, constituise amplo banco de dados físicos e geo-econômicos da região estudada, permitindo a realização de diferentes simulações e diagnósticos, ou seja, um sistema de apoio à decisão. Sob esta ótica, e viabilizado pela escala de trabalho empregada, a qual permite o detalhamento de ações dentro da área estudada, foram simulados empreendimentos destinados ao controle da poluição por fontes difusas rurais e verificada a sua repercussão na qualidade das águas do Rio Cadeia. Como decorrência do escopo principal e em função da metodologia adotada (o modelo SWRRBWQ determina a necessidade de detalhada caracterização física das áreas bem como das atividades rurais nela existentes), o trabalho constituiu-se em um amplo banco de dados dos empreendimentos e atividades em geral existentes na área de drenagem da bacia hidrográfica e que contribuem com a poluição hídrica, além de apresentar um diagnóstico da situação atual da qualidade das águas do Rio Cadeia. BIBLIOGRAFIA 1. AGRAR/SOD/RS, Rio Caí, Planejamento Hidrológico e Desenvolvimento Regional, Volumes II e V 2. Resumo Estatístico Municipal Versão 10/06. FEE/RS 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2000

7 3. Sérgio J. de Luca, Stephan Prates, Mauro Kruter Kotlhar, Adriene Sampaio, Marlize Cantelli e Carla Santana,1996. Diagnóstico da Contaminação dos Recursos Hídricos na Bacia do Rio Caí. 4. De Luca, S. J. e Ide, C. N., Rain and Stormwater Quality, Proc. VX Bien. Int. Conf. IAWPRC, Kyoto, Japão. 5. FEPAM/RS, Classificação e Localização de Efluentes Industriais. Divisão de Controle de atividades Poluidoras. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2001

8 Figura 1 - Diagrama Unifilar com Indicação das Contribuições Proporcionais das Áreas de Drenagem K 25%I 50%J 50%J 25%I 10%I 40%I 40%L 60%L H 35%G 35%G 30%G 35%F 60%F 5%F 20%D 20%D 25%M 15%M 10%M 50%M 60%D N 35%O 50%C 30%O 50%C 35%O 30%Q 40%Q 30%Q P R T 20%S 30%S 50%S 60%B 50%U 40%B 50%U A V 50%C 50%C 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2002

9 Quadro 1. Resumo De Dados Municipais De Censo E Geográficos. MUNICÍPIO Área Pop Urb. Pop Rur. Área Urb. Área Rural Vazão Industrial (m3/dia) (km2) (hab.) (hab.) (km2) (km2) ALIM BEA CPS Q/PET Dois Irmãos 73, ,00 66, Gramado 44, , Ivoti 65, ,00 57, Lindolfo Collor 31, ,00 11, Linha Nova 37, ,00 26,10 Morro Reuter 83, ,00 78,70 42 N.Petrópolis 120, ,00 117, Picada Café 83, ,00 52, Portão 26, ,56 Pres.Lucena 49, ,00 33,50 S. Maria Herval 127, ,00 107,30 15 S. J. Hortêncio 55, ,00 36, S. S. do Caí 107, ,00 Sapiranga 44, ,27 Ramos Industriais: - ALIM: alimentícias - BEA: Bebidas e álcool - CPS: couro, peles e similares - Q/PET: química e petroquímica Quadro 1. Continuação. MUNICÍPIO produção agrícola área (ha) Animais (cap/ano) milho mandioca batata laranja peq. porte gde porte Dois Irmãos Gramado Ivoti Lindolfo Collor Linha Nova Morro Reuter Nova Petrópolis Picada Café Portão Presidente Lucena S. Maria Herval S..J. Hortêncio S. S. do Caí Sapiranga o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2003

10 Quadro 2: Dados de cargas geradas na bacia para entrada no modelo QUAL2E. Tre- Aportes DBO N-ORG NH3-N NO2-N NO3-N ORG-P DISP-P cho de carga mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 1 50 J+40 L 16, ,0019 0, ,04E -05 0, , , J+60 L 16, , , ,01E -05 0, , , I 15, , , ,06E -05 0, , , G+25 I 13, , , ,23E -05 0, , , G+10 I 11, , , ,34E -05 0, , , G+25 I 13, , , ,23E -05 0, , , I 15, , , ,06E -05 0, , , M 39, , , ,57E -05 0, , , F 22, , , ,82E -05 0, , , F+15 M 25, , , ,74E -05 0, , , F+E+10M 25, , , ,71E -05 0, , , D+50 M 33, , , ,62E -05 0, , , D 21, , , ,82E -05 0, , , D 21, , , ,82E -05 0, , , N 22, , , ,81E -05 0, , , O 16, , , ,03E -05 0, , , O+50 C 14, , , ,71E -05 0, , , C 14, , , ,93E -05 0, , , O 16, , , ,03E -05 0, , , Q+50 S 30, , , ,89E -05 0, , , Q+30 S 29, , , ,94E -05 0, , , Q+20 S 29, , , ,94E -05 0, , , P + T 24, , , ,09E -05 0, , , U 2, , , ,96E -05 0, , , B 2, , , ,92E -05 0, , , B+50 U 2, , , ,94E -05 0, , , A + V 2, , , ,09E -05 0, , , o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2004

11 Quadro 3: Vazões simuladas para a bacia do Rio Cadeia. SUB-BACIA 7Q10 (m 3 /s) Qlp (m 3 /s) A 0,010 0,11 B 0,063 0,72 C 0,077 1,24 D 0,059 1,01 E 0,097 1,80 F 0,084 1,33 G 0,086 1,35 H 0,025 0,40 I 0,106 1,67 J 0,034 0,53 K 0,193 3,02 L 0,048 0,77 M 0,088 1,39 N 0,057 1,13 O 0,038 0,61 P 0,069 1,09 Q 0,041 0,65 R 0,028 3,78 S 0,066 1,21 T 0,027 0,43 U 0,053 0,60 V 0,043 0,49 Quadro 4: Cargas (ton/ano), calculadas a partir de dados reais coletados na bacia. Ponto DBO 5 DQO NTK OD Fosfato Colif. Turbidez STotal 2,4-D Cr CA , ,54E ,88 0,022 CA , ,58E ,37 0,010 CA , ,78E ,88 0,015 CA , ,75E ,86 0,020 CA , ,75E ,17 0,025 CF1 1653, ,42E ,33 0,015 CF2 1513, ,97E ,02 0,010 CF3 467, ,24E ,94 0,015 CF4 25, ,49E ,051 0,010 CF5 170, ,46E ,34 0,010 CF6 700, ,97E ,94 0,026 CF7 266, ,79E ,53 0,025 CA , ,75E ,2 0,016 CA , ,58E ,78 0,022 CA , ,27E ,82 0,026 CA , ,15E ,52 0,083 CA , ,60E ,91 0, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2005