DIAGNÓSTICO ATUAL E SIMULAÇÃO DA FUTURA QUALIDADE DAS ÁGUAS DO RIO DOS SINOS/RS

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1 DIAGNÓSTICO ATUAL E SIMULAÇÃO DA FUTURA QUALIDADE DAS ÁGUAS DO RIO DOS SINOS/RS Stephan Hund Prates (1) Engº Civil - Mestrando no CPG - Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Instituto de Pesquisas Hidráulicas - UFRGS. Sérgio João De Luca Professor Titular no Instituto de Pesquisas Hidráulicas - UFRGS. FOTO Endereço (1) : Rua Bento Gonçalves, 96 - Bairro Agronomia - Porto Alegre - RS - CP CEP: Brasil - Tel: (51) Fax: (51) stephan@if.ufrgs.br. RESUMO O objetivo deste trabalho é apresentar o diagnóstico atual da qualidade dos recursos hídricos do rio dos Sinos e realizar uma projeção futura da qualidade destes recursos a partir de um levantamento de dados topográficos, hidrológicos, demográficos, usos do solo, efluentes industriais, atividades agro-pastoris, e resíduos sólidos domésticos, na área de contribuição da Bacia do Rio dos Sinos. Dois cenários de vazão foram utilizados: vazão média de longo prazo e vazões 7Q1. Foi utilizado como modelo de simulação o QUAL2E-UNCAS, da USEPA, com interface para Windows, obtido através da INTERNET. Como parâmetros de simulação do estresse ambiental foram utilizados OD, DBO, Grupo Nitrogênio e Grupo Fósforo. Como parâmetro sinônimo da contaminação sanitária foi utilizada a densidade de Coliformes Fecais. PALAVRAS-CHAVE: QUAL2E, Atenuação de Cargas, Qualidade de Águas. INTRODUÇÃO A bacia do Rio dos Sinos está situada a Nordeste do Estado do Rio Grande do Sul, entre os paralelos 29º e 3º Sul. Deságua no Delta do Rio Jacuí, em frente à cidade de Porto Alegre. Seus principais formadores são os rios Rolante, Paranhana e da Ilha, além de uma série de arroios dos mais variados portes, alguns deles, transformados hoje em esgotos a céu aberto. Na parte baixa da bacia os Arroios Luiz Rau, J. Joaquim, João Correa, Portão e outros menores apresentam condições anaeróbias. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 25

2 A área total da bacia é de 3.71 km², com um comprimento médio de talvegue de 19 km. A vazão média específica da bacia é de 11,72 l/s km², e contribui com 3,4 a 5,24% da vazão média global de 15 m 3 /s do Delta do Jacuí. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 26

3 A Região Metropolitana de Porto Alegre, que inclui o baixo Sinos e o baixo Gravataí, tem 3,4% da concentração industrial brasileira. A contaminação atmosférica local pode ter grande significado em termos de contaminação dos recursos hídricos da bacia do Rio dos Sinos. O setor coureiro calçadista tem cerca de 2 indústrias no Rio Grande do Sul, sendo que cerca de 8 curtumes e afins se encontram localizados na bacia do Rio dos Sinos. Para auxiliar o diagnóstico, utilizou-se um modelo de simulação de qualidade de água. O modelo escolhido foi o QUAL2E, o mais versátil na área, tendo sido desenvolvido pela USEPA, sendo usado a versão 1. para WINDOWS, de Este modelo pode simular a qualidade da água de um sistema fluvial, combinando até 15 parâmetros de qualidade de água, três substâncias conservativas e uma arbitrária não conservativa. Os mecanismos de transporte na direção principal da vazão são: advecção e dispersão. O modelo admite a entrada de dados de múltiplos pontos de lançamento de efluentes e retiradas d água para cada trecho de simulação. Além disso, é capaz de calcular a vazão incremental necessária de água a fim de manter um nível mínino de Oxigênio Dissolvido (OD). Na representação conceitual do sistema fluvial, o modelo QUAL2E divide cada trecho adotado ao longo do rio em subtrechos, denominados de elementos computacionais com mesmo comprimento elementar (Dx), que são considerados completamente misturados. Para cada elemento computacional, efetua-se um balanço hidráulico em função das vazões: - a montante: (Q i-1 ); - de fontes externas ou retiradas: (Q xi ); - a jusante: (Q i ). Analogamente, realiza-se uni balanço de massa em termos de: - advecção.- (Q.C); - dispersão: (Ax. DL. dc) Dx?x - fontes externas ou retiradas: (Qx.Cx), assim como as descargas de um efluente ou a diversificação de vazão; - fontes internas ou perdas: (S i ), assim como as suas transformações biológicas e as fontes bentônicas. Desse modo, o curso d'água em simulação pode ser conceituado como uma seqüência de reatores com mistura completa (elementos computacionais), os quais são unidos através dos mecanismos de advecção e de dispersão. Por sua vez, os grupos seqüenciais destes reatores são definidos como trechos, desde que possuam propriedades hidrogeométricas iguais (declividade do rio, seção transversal do canal, rugosidade, etc.) com mesmas constantes das taxas de reação química e biológica. Em sua representação funcional, o modelo QUAL2E adota uma equação unidimensional do tipo advecção-dispersão no transporte de massa com integração numérica espaço-temporal. Assim, obtém-se a equação de transporte de massa para um parâmetro qualquer, em condições de escoamento permanente, escrita como: 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 27

4 ? c??????? t A? x A D c? 1? x A? x A uc dc s?? x L?? x??? dt V x x 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 28

5 onde: x = distancia (L); t = tempo (T); C = concentração do parâmetro de qualidade da água (ML -3 ); AX = área da seção transversal perpendicular a direção x (L 2 ); DL = coeficiente de dispersão longitudinal (L 2 T -1 ); _ u = velocidade média da seção transversal (LT -1 ); s = fontes externas ou perdas (MT -1 ); V = volume de controle (L 3 ). O termo (dc/dt) inclui as reações biológicas, químicas e físicas com suas interações no curso d'água, não devendo ser confundido pelo termo (?c/?t) referente ao seu gradiente de concentração local, que iguala-se a zero sob condições de regime estável. As expressões matemáticas que descrevem as ações e as interações dos parâmetros de qualidade da água, presentes no modelo de qualidade da água QUAL2E, encontram-se na documentação do seu manual com explicações detalhadas. No aspecto hidráulico, o modelo simula somente períodos de tempo em que tanto a vazão quanto as cargas poluentes são constantes. Com isso, o modelo QUAL2E em regime estável pode avaliar os impactos de despejos de poluentes pontuais e, em conjunto com um programa de monitoramento dos cursos de água, de cargas poluentes não pontuais sobre a qualidade da água. Para a simulação do rio dos Sinos, foram selecionados os parâmetros a seguir: DBO, OD, grupo N, grupo P, clorofila-a, Coliformes fecais; Elemento não conservativo: DQO; Elementos conservativos: Alcalinidade, Sulfatos e Cloretos; A bacia hidrográfica do rio dos Sinos foi subdividida em 59 sub-bacias. O critério adotado para a divisão das sub-bacias foi escolher-se microrregiões proximamente homogêneas em termos de ocupação e uso do solo, bem como suas características fisiográficas. O curso principal do rio foi dividido em 15 trechos e os rios Paranhana, Rolante e da Ilha em 6, 4 e 2 trechos, respectivamente, aos quais aportam as drenagens das sub-bacias, entradas pontuais de industrias e retiradas de água para abastecimento, a montante de cada trecho. Primeiramente foram calculadas as cargas potenciais da bacia, levando-se em consideração as fontes de poluição como população urbana, população rural, drenagem pluvial urbana, fontes difusas rurais, dessedentação de animais (de grande e pequeno porte),irrigação e aquicultura, efluentes industriais, resíduos sólidos domésticos, precipitação atmosférica e água subterrânea (FEPAM, 1996, FEE, 1996, DE LUCA & IDE, 1991). Uma vez calculadas as cargas potenciais de contaminação por sub-bacia,por fonte e por parâmetros, calculou-se os coeficientes de atenuação de cargas das sub-bacias (DE LUCA et al., 1995). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 29

6 Tem-se verificado que as cargas poluentes medidas nas seções de controle de qualidade da água são bem menores que os previstos ou preditos. As cargas de contaminantes sejam de fontes pontuais ou de fontes difusas sofrem algum tipo ou grau de redução entre a fonte emitente e a chegada a corpo dágua principal, onde é medida. Na realidade esta atenuação ocorre inicialmente nos arroios e canais que conduzem as drenagens contaminadas e, posteriormente, pelo poder de autodepuração do próprio corpo dágua (DE LUCA & PRATES, 1996). Para a modelagem, a atenuação considerada é proveniente da razão entre as massas calculadas e as massas verificadas (concentração x vazão), com dados de qualidade de água. Com esta atenuação, e com a calibragem do modelo, foi-se possível a simulação das condições atuais. Os coeficientes de atenuação encontrados foram utilizados para o cálculo das concentrações futuras. CONCLUSÕES As Tabelas 1 e 2 apresentam as simulações do cenário atual do rio dos Sinos e seus formadores. A Tabela 1 apresenta dados para a vazão de longo prazo, ao passo que a Tabela 2 apresenta dados para a vazão 7 Q 1. Obteve-se bons ajustes para OD, DBO e Coliformes fecais em ambos os cenários. Há necessidade de se refinar as simulações de Nitrogênio e Fósforo. As Tabelas 3 e 4 apresentam a projeção para o ano 21, dos cenários de qualidade da água, embutidas nas cargas e concentrações que alimentam o modelo, projeções de população, produção agricola e industrial, etc.. A Tabela 3 mostra para a vazão de longo período quais as concentrações médias esperadas de OD, DBO, Nt, Pt e Coliformes Fecais no ano de 21. A Tabela 4 apresenta para a pior situação hidráulica, 7 Q 1, as concentrações dos parâmetros simulados. O Gráfico 1 apresenta as concentrações de DBO 5 simuladas no modelo QUAL2E, para as condições atual e futura, vazão média de longo prazo. Identifica-se uma elevação da concentração à medida que se aproxima da foz, sendo caracterizada por baixas declividades do curso d água. No Gráfico 2 é apresentada a simulação para DQO, em que a mesma tendência se verifica. O Gráfico 3 apresenta os resultados da simulação para Fósforo Total e o Gráfico 4 para Coliformes Fecais. Nos Gráficos 2, 3 e 4 não ocorreram diferenças significativas entre as simulações com as cargas para a condição atual e futura. Já no Gráfico 1, para a condição atual temos concentrações superiores do que para a futura. O fato de estarmos usando a atenuação das cargas atuais para a condição futura pode ser um dos fatores contribuintes para estes resultados. A vazão de retorno de águas servidas é maior para a condição futura, o que causa um efeito de diluição. Nota-se nas Tabelas 2 e 4 que nos trechos SI 4 até a foz os teores de OD serão muito baixos, necessitando-se implementar obras e tratamentos das várias fontes poluentes para seu controle. Interessante notar também, que com o aumento populacional e maior urbanização, no ano 21 a situação 7 Q 1 será melhor que a atual, pelo maior retorno de esgoto e pela maior produção de 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 21

7 escorrimento superficial. Em termos de coliformes fecais, no entanto, continuará haver forte contaminação daquele rio, das nascentes até a foz no cenário de águas baixas. Tabela 1: Valores Observados e Simulados - Rio dos Sinos Vazão Média de Longo Período - Usos Atuais km OD DBO DQO N total P total Coliformes Fecais (NMP/1ml) SI OBSERVADO ATUAL 5,6,4 17,6 1,95,2 2,95E+2 SIMULADO ATUAL 8,3 1,57 6,18,87,13 3,3E+2 SI 1 15 OBSERVADO ATUAL 7,3 1,2 9,45 1,42,17 9,96E+2 SIMULADO ATUAL 7,71 1,4 7,9,87,14 5,45E+2 SI 9 92 OBSERVADO ATUAL 7,2 1,4 9,7,92 3,73 9,9E+2 SIMULADO ATUAL 7,66 1,41 9,48,73,12 2,E+3 SI 8 82 OBSERVADO ATUAL 7,5 1,5 1,1,97,21 6,97E+3 SIMULADO ATUAL 7,4 1,37 9,91,73,12 2,4E+3 SI 7 55 OBSERVADO ATUAL 7,2 1,4 11,1 1,8,23 3,89E+3 SIMULADO ATUAL 6,86 1,5 9,92,8,13 2,22E+3 SI 6 48 OBSERVADO ATUAL 7,2 1,6 1,6 1,13,24 5,34E+3 SIMULADO ATUAL 6,84 1,59 1,38,8,13 2,27E+3 SI 5 44 OBSERVADO ATUAL 6,7 1,9 12, 1,22,29 1,11E+4 SIMULADO ATUAL 6,82 1,61 1,48,81,13 2,38E+3 SI 4 38 OBSERVADO ATUAL 6,2 2,4 13,2 1,53,37 2,32E+4 SIMULADO ATUAL 6,86 1,9 12,39,84,13 2,4E+3 SI 3 28 OBSERVADO ATUAL 5,4 2,9 13,1 1,81,43 3,5E+4 SIMULADO ATUAL 6,85 2,2 12,32,84,13 2,34E+3 SI 2 19 OBSERVADO ATUAL 4,5 3,4 14,4 2,18,43 1,35E+4 SIMULADO ATUAL 6,81 2,5 12,84,9,14 3,37E+3 SI 1 8 OBSERVADO ATUAL 4,4 2,8 14,1 2,18 2,1 5,5E+3 SIMULADO ATUAL 6,77 2,77 14,26,92,14 1,28E+4 FOZ OBSERVADO ATUAL 5,1 3,2 12,1 2,95 1,16 1,E+4 SIMULADO ATUAL 6,64 2,94 15,2,99,17 1,17E+4 Obs: concentrações em mg/l exceto onde anotado Tabela 3: Valores Simulados RIO DOS SINOS Vazão Média de Longo Período - Usos Futuros km OD mg/l DBO mg/l DQO mg/l N total mg/l P total mg/l Coliformes Fecais (NMP/1ml) SI ,97 1,97 6,18,87,13 3,3E+2 SI ,73 1,39 7,9,87,14 5,45E+2 SI ,64 1,7 9,35,73,12 1,96E+3 SI ,36 1,67 9,8,73,12 1,99E+3 SI ,8 1,85 9,84,8,13 2,19E+3 SI ,78 1,99 1,36,82,13 2,25E+3 SI ,76 2,2 1,48,82,13 2,38E+3 SI ,8 2,46 12,61,86,14 2,4E+3 SI ,78 2,63 12,56,86,13 2,34E+3 SI ,74 3,18 13,15,91,14 3,48E+3 SI 1 8 6,69 3,55 14,72,94,14 1,36E+4 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 211

8 FOZ 6,54 3,73 15,55 1,1,17 1,25E+4 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 212

9 Tabela 2: Valores Observados e Simulados - Rio dos Sinos Vazão Q 7,1 - Usos Atuais km OD DBO DQO N total P total Coliformes Fecais (NMP/1ml) SI OBSERVADO ATUAL 6,6 2,7 15, 1,55 1,17 5,E+4 SIMULADO ATUAL 6,63 16,56 11,34 1,14 2,51 5,2E+5 SI 1 15 OBSERVADO ATUAL 4,5 4,7 16,3 4,51,42 3,5E+4 SIMULADO ATUAL 6,29 15,58 11,79,99 1,8 9,72E+7 SI 9 92 OBSERVADO ATUAL 4,5 3,1 21, 2,14,44 1,3E+4 SIMULADO ATUAL 6,7 11,51 14,55 1,8 1,28 4,2E+9 SI 8 82 OBSERVADO ATUAL 5, 3, 26,5 2,22,97 1,4E+4 SIMULADO ATUAL 7,41 1,57 15,41 1,1 1,34 1,27E+9 SI 7 55 OBSERVADO ATUAL 4,4 2,7 19,9 1,86,49 2,8E+4 SIMULADO ATUAL 12,72 1,43 16,58 1,82 2,7 2,15E+9 SI 6 48 OBSERVADO ATUAL 4, 2,3 16,3 1,35,53 3,E+4 SIMULADO ATUAL 1,26 11,14 16,64 2,1 2,45 3,16E+9 SI 5 44 OBSERVADO ATUAL 4,2 4, 19,4 2,77,54 7,E+4 SIMULADO ATUAL 8,8 11,6 16,49 2,1 2,54 1,13E+9 SI 4 38 OBSERVADO ATUAL 3,8 6,8 2,7 2,34,76 1,7E+5 SIMULADO ATUAL 6,1 13,53 19,5 2,78 3,6 9,68E+9 SI 3 28 OBSERVADO ATUAL 1,8 8,7 17,5 3,11 1,1 1,7E+5 SIMULADO ATUAL 2,73 14,2 19,44 3,11 3,71 8,73E+7 SI 2 19 OBSERVADO ATUAL, 14, 25,9 4,57,87 3,E+5 SIMULADO ATUAL,86 17,82 24,9 1,6 3,76 1,99E+8 SI 1 8 OBSERVADO ATUAL 1,8 8,2 22,9 5,33,78 5,E+4 SIMULADO ATUAL,68 18,92 27,29 7,41 4,8 7,29E+8 FOZ OBSERVADO ATUAL 1,9 12,8 19, 4,89 6,2 2,3E+4 SIMULADO ATUAL,92 18,93 3,42 12,25 18,47 1,99E+8 Obs: concentrações em mg/l exceto onde anotado Tabela 4: Valores Simulados RIO DOS SINOS Vazão Q 7,1 - Usos Futuros km OD DBO DQO N total P total Coliformes Fecais (NMP/1ml) SI ,53 21,75 11,37 1,14 2,51 5,28E+5 SI ,21 18,95 11,82,99 1,81 9,5E+7 SI ,63 13,71 14,58 1,7 1,27 3,78E+9 SI ,28 12,74 15,45 1,1 1,33 1,27E+9 SI ,45 12,72 16,56 1,83 2,5 2,2E+9 SI ,97 13,79 16,57 2, 2,4 2,93E+9 SI ,45 13,76 16,4 2,9 2,49 1,4E+9 SI ,65 17,45 18,65 2,69 3,43 8,67E+9 SI ,1 18,17 19,11 3,3 3,55 8,2E+7 SI 2 19,11 22,41 24,84 3,84 3,6 1,95E+8 SI 1 8, 23,82 27,52 7,62 3,98 7,79E+8 FOZ, 23,38 31,73 13,66 21,82 2,44E+8 Obs: concentrações em mg/l exceto onde anotado 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 213

10 4 Vazão Média de Longo Prazo - Rio dos Sinos/RS ,5 DBO Atual DBO (mg/l O2) 3 2,5 2 1,5 1 DBO Futura,5 Nascente km Foz Figura 1: Valores Simulados de DBO Atual e Futura, Vazão Média de Longo Prazo no Rio dos Sinos/RS Vazão Média de Longo Período - Rio dos Sinos/RS DQO Atual 12 DQO Futura mg/l O Nascente km Foz Figura 2: Valores Simulados de DQO Atual e Futura, Vazão Média de Longo Prazo no Rio dos Sinos/RS o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 214

11 P total (mg/l),18,16,14,12,1,8,6,4,2 Nascente Vazão Média de Longo Prazo - Rio dos Sinos/RS km 6 4 P total Atual P total Futuro Figura 3: Valores Simulados de Fósforo Total Atual e Futuro, Vazão Média de Longo Prazo no Rio dos Sinos/RS Foz Coliformes Fecais (NMP/1mL) 1,4E+4 1,2E+4 1,E+4 8,E+3 6,E+3 4,E+3 2,E+3,E+ 16 Nascente Vazão Média de Longo Prazo - Rio dos Sinos/RS Coliformes Fecais Atual Coliformes Fecais Futuro km Figura 4: Valores Simulados de Coliformes Fecais Atual e Futuro, Vazão Média de Longo Prazo no Rio dos Sinos/RS Foz REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. FEPAM/RS, Rio dos Sinos. Monitoramento de Qualidade da Água, Depto de Qualidade Ambiental. 2. FEE/RS, Censo dos Municípios do Rio Grande do Sul. 3. DE LUCA, S. J. e IDE, C. N., Rain and Stormwater Quality, Proc. VX Bien. Int. Conf. IAWPRC, Kyoto, Japão. 4. DE LUCA, S. J., MARQUES, D.M., e BULHÕES, C. A., Levantamento dos Usos Atuais e Futuros dos Principais Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios dos Sinos e Gravataí, Relatório para a Magna Engenharia S/A. 5. DE LUCA, S. J. e PRATES, S., Simulação de Qualidade e Tratamentos no Rio dos Sinos Relatório para Magna Eng. S/A/CONRHIGS. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 215