UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO. Rogério Luís Casagrande

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1 A imagem vinculada não pode ser exibida. Talvez o arquivo tenha sido movido, renomeado ou excluído. Verifique se o vínculo aponta para o arquivo e o local corretos. UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL Rogério Luís Casagrande Monitoramentoo Ambiental das Águas do Rio Passo Fundo e Calibração de Modelo de Qualidade - QUAL2K Passo Fundo, Monitoramento Ambiental das Águas do Rio Passo Fundo e calibração de modelo de qualidade, utilizando o software QUAL2K

2 2 Rogério Luís Casagrande Monitoramento Ambiental das Águas do Rio Passo Fundo e Calibração de Modelo de Qualidade QUAL2K Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Ambiental, como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Engenheiro Ambiental. Orientador: Prof. Eduardo Pavan Korf, Mestre em Engenharia Passo Fundo, 2011.

3 3 Rogério Luís Casagrande Monitoramento Ambiental das Águas do Rio Passo Fundo e Calibração de Modelo de Qualidade QUAL2K Trabalho de Conclusão de Curso como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Ambiental Curso de Engenharia Ambiental da Faculdade de Engenharia e Arquitetura da Universidade de Passo Fundo. Aprovado pela banca examinadora: Orientador: Eduardo Pavan Korf, Engenheiro Ambiental, Mestre Faculdade de Engenharia e Arquitetura, UPF Simone Fiori, Engenheira Civil, Mestre Faculdade de Engenharia e Arquitetura, UPF Marcelo Henkemeier, Químico Doutor. Faculdade de Engenharia e Arquitetura, UPF Passo Fundo, dezembro de 2011.

4 4 O homem acredita mais com os olhos do que com os ouvidos. Por isso longo é o caminho através de regras e normas, curto e eficaz através do exemplo Sêneca

5 5 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, por ter-me concedido vida e saúde para poder aprender cada vez mais e por me dar força, não me deixando desistir nas horas mais difíceis; Dedico este trabalho in memorian a minha avó materna (Assunta), que estando onde estiver seus ensinamentos serviram para me tornar parte do que hoje sou. A toda minha família que sempre me apoiou em todos os momentos difíceis, minha mãe Analice com incansáveis conselhos que levarei para toda a vida. E mesmo pela distância nunca deixaram de me ajudar no possível, com luta e determinação, para meu sonho ser realizado; Ao meu pai Luiz, por todas as viagens até Passo Fundo para ajudar-me nas coletas de monitoramento efetuadas para este trabalho; Ao orientador Prof. Eduardo Pavan Korf, agradeço pela confiança e principalmente pela dedicação ao meu trabalho, paciência e auxilio prestado. Sendo um amigo em todos os momentos e um excelente professor e profissional; A todos os meus professores, que contribuíram não somente para meu crescimento acadêmico, mas também como cidadão; A responsável pelo laboratório da engenharia ambiental Marilda, pela ajuda amizade e auxilio prestado ao longo de todas as analises realizadas. Agradeço a todas as amizades feitas nesses anos de faculdade. Em especial a Máfia do Schweig. Ao Heberton pela força e conselhos prestados nas horas de extrema necessidade, e aos amigos da turma de engenharia 2007/1 que tive o prazer de conviver e que estão agora se formando comigo, Maikielli, Iziquiel e Rubinho... entre muitos outros. Enfim, a todos que de alguma maneira colaboraram para meu crescimento profissional e pessoal.

6 6 RESUMO A ação antrópica modifica os ecossistemas naturais, alterando as transferências de sedimentos e nutrientes aos ambientes aquáticos. O presente projeto tem como objetivo o monitoramento da qualidade das águas superficiais do trecho do Rio Passo Fundo, localizado na zona de influência da área urbana da cidade de Passo Fundo - RS e a calibração de dados monitorados ao modelo de qualidade da água de rios, utilizando solução numérica introduzidas no software QUAL2K para determinação dos parâmetros cinéticos e de degradação dos poluentes predominantes. O monitoramento ocorreu em um período de 117 dias, com inicio em janeiro de 2011, realizando-se cinco amostragens em cada um dos pontos selecionados com intervalos mensais. Os parâmetros analisados foram temperatura, turbidez, condutividade elétrica, oxigênio dissolvido (OD), ph, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO), sulfatos, cloretos, nitrogênio total, fósforo total e coliformes termotolerantes. Os resultados para ph, turbidez, sulfatos, temperatura e condutividade elétrica estão de acordo com a Resulução CONAMA nº 357/2005. Os demais parâmetros apresentaram variações em algumas coletas, sendo os valores de OD e DBO os mais críticos para todos os tempos amostrados. As descargas de efluente doméstico e industrial em pontos específicos são as possíveis causas pela não conformidade dos parâmetros analisados com a resolução de qualidade de corpos hídricos. O modelo calibrado QUAL2K mostrou-se como um instrumento para o auxilio na gestão dos recursos hídricos, uma vez que se conseguiu observar os resultados de autodepuração a jusante do rio em estudo.

7 1 ABSTRACT The human action modifies the natural ecosystems, altering the transfer of sediment and nutrients to aquatic environments. This project aims to monitor the quality of surface waters of the river stretch of Passo Fundo, located in the zone of influence of the urban area of the city of Passo Fundo - RS and calibration of monitoring data to the model of water quality of rivers using introduced in the numerical solution QUAL2K software to determine the kinetic parameters and degradation of pollutants prevalent. The monitoring occurred in a period of 117 days, starting in January 2011, there were five samples in each of the selected points at monthly intervals. The parameters studied were temperature, turbidity, conductivity, dissolved oxygen (DO), ph, biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), sulfates, chlorides, total nitrogen, total phosphorus and fecal coliform. The results for ph, turbidity, sulfates, temperature and electrical conductivity are in agreement with the Resulução CONAMA 357/2005. The other parameters showed variations in some samples, the values of DO and BOD the most critical times for all sampled. The discharge of industrial wastewater and specific points are possible causes for non-conformity of the parameters analyzed with the resolution of quality of water bodies. The calibrated model QUAL2K, proved to be a tool to aid in the management of water resources, since it was able to observe the results of self-purification in the river downstream of the study.

8 2 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1. Diagrama de um corpo hídrico sem tributários Figura 2. Diagrama de um corpo hídrico com seus tributários Figura 3: Canal trapezoidal (equação de Manning) Figura 4. Balanço geral de calor simulada Figura 5. Divisão Bacia Hidrográfica Figura 6. Bacia Hidrográfica do Rio Passo Fundo Figura 7. Efluente sendo lançado in situ entre o 5,76 km e 8,57 km Figura 8. Resíduo seco nas águas do Rio Passo Fundo Figura 9: Pontos de Monitoramento do Rio Passo Fundo Figura 10. Inicio do monitoramento (km 0) Figura 11. Córrego km 2,5, próximo as residências Figura 12. km 5,76 - próximo a Empresa COLEURB Figura 13. km 8,57 próximo a Embrapa Trigo Figura 14. Técnica de coleta de águas superficiais efetuada diretamente com as mãos Figura 15: Divisão do rio em elementos Figura 16 - Precipitação (mm) no primeiro semestre em Passo Fundo Figura 17. Variação espacial média da vazão (m³/s) Figura 18. Variação da temperatura por tempo de coleta Figura 19. Variação espacial da temperatura média Figura 20. Variação do ph por tempo de coleta Figura 21. Variação espacial média do ph Figura 22. Variação de DBO por tempo de coleta Figura 23. Variação espacial média da DBO Figura 24. Variação de DQO por tempo de coleta Figura 25: Variação espacial média da DQO Figura 26. Variação de OD por tempo (dias) de coleta Figura 27. Variação espacial média de OD Figura 28. Variação OD X DBO nos 112 dias Figura 29. Variação de Nitrogênio por tempo (dias) de coleta Figura 30. Variação espacial média de Nitrogênio Figura 31. Variação de fósforo por tempo (dias) de coleta Figura 32. Variação espacial média de fósforo... 68

9 3 Figura 33. Variação de Cloretos por tempo (dias) de coleta Figura 34. Variação espacial média de Cloretos Figura 35. Variação de sulfato por tempo (dias) de coleta Figura 36. Variação espacial média de Sulfato Figura 37. Variação de Condutividade Elétrica por tempo (dias) de coleta Figura 38. Variação espacial média de Condutividade Elétrica Figura 39. Variação da Turbidez por tempo (dias) de coleta Figura 40. Variação espacial média da Turbidez Figura 41. Variação de coliformes termotolerantes por tempo (dias) de coleta Figura 42. Variação espacial média de Coliformes Termotolerantes Figura 43: Vazão média ao longo do eixo longitudinal do percurso em estudo do Rio Passo Fundo Figura 44: Variação da temperatura ao longo do eixo longitudinal do percurso em estudo do Rio Passo Fundo Figura 45: Variação do ph ao longo do eixo longitudinal do percurso em estudo do Rio Passo Fundo Figura 46: Concentração de fósforo orgânico ao longo do eixo longitudinal Figura 47: Concentração de fósforo inorgânico ao longo do eixo longitudinal Figura 48: Concentração de nitrogênio orgânico ao longo do eixo longitudinal Figura 49: Concentração de nitrogênio inorgânico ao longo do eixo longitudinal Figura 50: Concentração de DBO ao longo do eixo longitudinal Figura 51: Concentração de OD ao longo do eixo longitudinal... 86

10 4 LISTA DE QUADROS Quadro 1: Evolução dos modelos de qualidade da água Quadro 2. Diferenças entre o QUAL2K e o Qual2E Quadro 3: Variáveis simuladas pelo modelo QUAL2K Quadro 4: Equações de previsão para o coeficiente de reaeração, K2, (d -1 ), na base logarítmica, a 20 ºC Quadro 5: Valores típicos dos coeficientes de remoção de DBO (K1 e K2) a 20 ºC Quadro 6. Parâmetros monitorados e analisados em laboratório Quadro 7: Precipitação (mm) dos 7 dias anteriores de cada coleta Quadro 8: Representação dos trechos simulados Quadro 9: Representação dos elementos simulados Quadro 10: Planilha Reach usada para especificar os elementos, à distância e elevações.. 49 Quadro 11: Planilha usada para a entrada dos dados de calibração da cabeceira do rio Quadro 12: Planilha com dados hidráulicos Quadro 13: Planilha de água WQ Data Quadro 14: Coeficientes de calibração do QUAL2K para fósforo orgânico e inorgânico Quadro 15: Coeficientes usados na calibração do modelo para N orgânico e inorgânico

11 5 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Valores típicos de parâmetros de carga orgânica (mg/l) no esgoto sanitário Tabela 2: Coeficiente de reaeração para corpos hídricos com diversas características... 32

12 6 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Problema de Pesquisa Justificativa Objetivos Objetivo Geral Objetivos Específicos REVISÃO DA LITERATURA A Poluição Hídrica e a Gestão dos Recursos Hídricos As Bacias Hidrográficas Mananciais Urbanos Impactos das ações humanas sobre a qualidade da água Esgoto Doméstico Esgoto Industrial O monitoramento dos recursos hídricos Indicadores de Qualidade de Água As Legislações e Padrões de Qualidade das Águas Superficiais Transporte de Massa em Rios Dispersão Longitudinal Modelos Matemáticos de qualidade da água Modelo QUAL2K MATERIAL E MÉTODOS Local de Estudo Caracterização da Bacia do Rio Passo Fundo Caracterização do Rio Passo Fundo Pontos Monitorados Parâmetros Monitorados, métodos de análise e amostragem Variáveis Hidrológicas Utilização do Modelo Calibração do Modelo QUAL2K RESULTADOS E DISCUSSÃO Parâmetros Hidrológicos... 54

13 7 4.2 Monitoramento Temporal e Espacial Vazão Temperatura Potencial Hidrogenionico (ph) Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) Demanda Química de Oxigênio (DQO) Oxigênio Dissolvido (OD) OD x DBO Nitrogênio Total Fósforo Cloretos Sulfatos Condutividade Elétrica Turbidez Coliformes Termotolerantes Simulação do Modelo QUAL2K Vazão Temperatura ph Fósforo orgânico e inorgânico Nitrogênio Orgânico e Inorgânico Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) Oxigênio Dissolvido (OD) CONCLUSÃO E SUGESTÕES Conclusão Sugestões REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 90

14 8 1 INTRODUÇÃO 1.1 Problema de Pesquisa Dentre os recursos naturais fundamentais, a água é o que possui maior destaque, pois sua disponibilidade é necessária a todo tipo de vida no planeta, bem como para a maioria dos meios de produção. A disponibilidade de água significa não somente que ela seja satisfatória em quantidade, mas também que sua qualidade para suprir as necessidades de um determinado conjunto de seres vivos. Quando o esgoto sanitário é lançado in natura nos corpos d água, isto é, sem receber tratamento prévio, dependendo da relação entre as vazões de esgoto lançado e do corpo receptor, podem-se esperar, na maioria das vezes, sérios prejuízos à qualidade da água (NUVOLARI, 2003). Além do aspecto visual desagradável, pode haver declínio dos níveis de oxigênio dissolvido (OD), afetando a sobrevivência dos organismos aquáticos, exalação de gases mal cheirosos e possibilidade de contaminação de animais e seres humanos pelo consumo ou contato com essa água, dentre outros aspectos. O saneamento precário e a ausência de esgoto tratado podem fazer com que o solo e as águas superficiais e subterrâneas sejam contaminados por agentes patogênicos presentes nas fezes dos seres humanos e dos animais. Esses agentes podem atingir a água potável, usada no cultivo de alimentos e contato humano, causando malefícios ao organismo humano. As pessoas também se contaminam pelo contato com a água através da recreação de contato primário. A maior parte das águas coletadas pelos sistemas de esgoto em países em desenvolvimento é despejada sem tratamento em rios, lagos e oceanos, prejudicando os potenciais benefícios à saúde das instalações básicas, sendo que apenas uma pequena fração recebe tratamento adequado (CLARKE e KING, 2005 apud BOTTINO, 2008). A qualidade de um recurso hídrico é diretamente proporcional à ocupação da bacia hidrográfica e às atividades nela desenvolvidas (MINELLA, 2005). A cidade de passo fundo, localizada no norte do estado do Rio Grande do Sul teve um crescimento populacional acelerado nos últimos anos, o que resultou no aumento da geração de resíduos sólidos e efluentes líquidos, fato que se agrava pela ausência de uma rede adequada de saneamento. A presença de alguns bairros e localidades, cujo acelerado processo de ocupação, muitas vezes

15 9 irregular, foi responsável pela alteração significativa do aspecto original de qualidade das águas superficiais. Uma vez que as porções ribeirinhas já tenham sido ostensivamente ocupadas, iniciou-se um processo de ocupação urbanística para o interior da área, provocando um crescimento acelerado e desordenado. Nesse contexto, Benassi (2002) apud BOTTINO (2008), relata que os cursos d água possuem capacidade natural de depurar a matéria orgânica, já que os rios são ecossistemas predominantes heterotróficos e possuem uma gradiente longitudinal. Entretanto, o lançamento indiscriminado de efluentes pode ultrapassar a capacidade de suporte do ambiente aquático, ou seja, exceder a capacidade do rio em suportar ou mesmo estimular alterações nos processos químicos, físicos e biológicos para a manutenção da qualidade das águas. 1.2 Justificativa A modelagem ambiental é uma ferramenta importante para avaliar, dentre outras funções, a qualidade das águas superficiais e a sua capacidade de autodepuração e suporte das cargas orgânicas lançadas por fontes poluidoras. Dessa forma, é possível que se faça um diagnóstico da qualidade de água do trecho estudado e também um prognóstico com cenários futuros da qualidade da água, com a inserção ou exclusão de fontes poluidoras. O monitoramento ambiental da qualidade das águas se faz necessário para calibração de modelos de qualidade, com o objetivo de determinar os parâmetros que caracterizam os processos físicos de transporte e cinética dos poluentes no corpo hídrico superficial. Para isso, é necessário avaliar quais os poluentes que são passíveis de alteração da qualidade das águas superficiais devido à ação das fontes poluidoras predominantes. Assim, a modelagem da qualidade da água apresenta-se como instrumento para obtenção de informações sobre os processos e interações que ocorrem no corpo hídrico, bem como, seu comportamento atual e futuro frente às diversas situações. Os modelos matemáticos estão sendo cada vez mais utilizados em estudos ambientais, pois auxiliam na compreensão dos impactos resultantes das mudanças no uso da terra e na previsão de alterações futuras nos ecossistemas (RENNÓ & SOARES, 2000). Para que este gerenciamento de controle e proteção dos recursos hídricos possa ser de fato realizado, é importante a utilização de ferramentas que nos possibilitem uma análise mais

16 10 complexa e um prognostico mais próximo a realidade. Para tanto, existem os modelos matemáticos de qualidade, que são utilizados para este fim, permitindo uma simulação dos processos de autodepuração dos rios e, conseqüentemente, auxílio no processo de tomada de decisão para o gerenciamento deste recurso. Segundo Chapra (2008), o software QUAL2K é uma solução numérica do modelo da qualidade de águas superficiais e é comumente aplicado na simulação da qualidade de água em córregos e rios. Pode ser utilizado, para fazer a previsão dos impactos ambientais em relação à qualidade da água proporcionados pela instalação e operação de um determinado empreendimento. Baseia-se em equações diferenciais ordinárias para sistemas unidimensionais e de fluxo constante, podendo ser utilizado para simular o comportamento de diversos indicadores e parâmetros de qualidade da água, fornecendo informações sobre o comportamento do meio sob as condições impostas pelo empreendimento sem que o mesmo ainda não esteja instalado, ou seja, uma importante ferramenta para a avaliação de impacto ambiental. A modelação da qualidade da água do Rio Passo Fundo irá fornecer informações úteis sobre mecanismos e interações que justificam os variados comportamentos dinâmicos da água, constituindo-se uma base racional para tomada de decisões no manejo de recursos hídricos. Será possível explicar algumas propriedades do sistema, principalmente quantificar a capacidade de autodepuração do corpo hídrico, antevendo assim os impactos decorrentes de uma possível descarga poluidora. Diante da calibração do modelo ao cenário atual poluidor do rio Passo Fundo RS, poderão ser determinar coeficientes cinéticos e de degradação para diferentes parâmetros de qualidade da água, permitindo, por fim, executar-se a avaliação e comparação de diferentes cenários futuros.

17 Objetivos Objetivo Geral O objetivo geral deste trabalho foi monitorar a qualidade da água em um trecho do Rio Passo Fundo, localizado na zona de influência da área urbana e a calibração de dados monitorados ao modelo de qualidade, utilizando solução numérica implementada no software QUAL2K para determinação dos parâmetros cinéticos e de degradação dos poluentes predominantes Objetivos Específicos propostos: Para o cumprimento do objetivo geral os seguintes objetivos específicos foram a) Analisar a variabilidade temporal e espacial das variáveis físicas, químicas e biológicas de qualidade do Rio Passo Fundo; b) Caracterizar a qualidade da água de acordo com os limites de qualidade impostos pela legislação vigente; c) Realizar a calibração das variáveis monitoradas ao modelo de qualidade de águas superficiais, utilizando a solução numérica implementada no software QUAL2K.

18 12 2 REVISÃO DA LITERATURA 2.1 A Poluição Hídrica e a Gestão dos Recursos Hídricos O crescimento da demanda mundial, por água de boa qualidade, à uma taxa superior à taxa de renovação do ciclo hidrológico, é um consenso nos meios técnicos e científicos internacionais. Este crescimento tende a se tornar uma das maiores pressões antrópicas sobre os recursos naturais do planeta no próximo século. De fato, o consumo mundial d'água cresceu mais de seis vezes entre 1900 e mais que o dobro das taxas de crescimento da população - e continua a crescer rapidamente com a elevação de consumo dos setores agrícola, industrial e residencial (WMO, 1997). A escassez de recursos hídricos traz sérias limitações para o desenvolvimento, ao restringir o atendimento às necessidades humanas, o que freqüentemente é acompanhado pela degradação acelerada dos ecossistemas aquáticos. A escassez e a degradação não são fenômenos que acontecem apenas nos dias de hoje. Por volta de 2000 a.c., a decadência econômica dos sumérios decorreu da estagnação de sua agricultura irrigada em razão da salinização do solo. Grandes impérios na Mesopotâmia, no Egito, na Índia e na China dependiam diretamente do aproveitamento dos seus recursos hídricos. Tales de Mileto, a.c., já afirmava que a água estava no princípio de tudo e, um pouco mais tarde, Platão, a.c., defendeu a necessidade de disciplinar o uso e de se evitar a degradação dos corpos de águas (FREITAS, 2000). À escassez d'água, que é grave em diversas regiões, adiciona-se a poluição concentrada e difusa dos corpos hídricos. Somente a imposição de marcos regulatórios cada vez mais restritivos e a realização de investimentos em estações de tratamento d'água permitirão aos países melhorar gradualmente a qualidade de seus corpos hídricos. Mesmo nos países mais desenvolvidos, uma boa parcela das águas poluídas ainda não é tratada, antes de descarregadas nos rios, lagos e oceanos. Nos países do Sul da Europa Ocidental, mais de 50% das populações ainda não têm acesso às redes de esgotamento sanitário. A situação é bem pior nos países em desenvolvimento. A saúde humana é gravemente afetada pela aceleração da contaminação de recursos d'água potável, especialmente em regiões de urbanização intensa. Eutrofização, metais pesados, acidificação, poluentes orgânicos e outros efluentes tóxicos

19 13 degradam os corpos hídricos de áreas densamente povoadas. A poluição afeta igualmente os recursos hídricos subterrâneos, onde a contaminação é lentamente diluída e as práticas de despoluição são extremamente onerosas. (FREITAS, 200). Segundo Freitas (2000), o Brasil possui a maior disponibilidade hídrica do planeta, ou seja, 13,8% do deflúvio médio mundial. A produção hídrica, em território nacional é de m³/s, o que equivale a um deflúvio anual de cerca de kmc. Levando-se em consideração as vazões produzidas na área das bacias da Amazônia, Paraná, Paraguai e Uruguai que se encontra em território estrangeiro, estimadas em m³/s, essa disponibilidade hídrica total atinge m³/s. Apesar de possuir a maior disponibilidade mundial, os dados do balanço hídrico mostram que existe uma grande diversidade hidrológica dentro do território brasileiro A concentração populacional precisamente em regiões de menor disponibilidade é um fator complicador para a gestão dos recursos hídricos no país (FREITAS, 2000). 2.2 As Bacias Hidrográficas Mananciais Urbanos Águas superficiais são encontradas na rede de rios da bacia hidrográfica onde a população se desenvolve. Uma seção de um rio define a sua bacia hidrográfica. Essa bacia é a área definida pela topografia superficial em que, a chuva ali precipitada, potencialmente contribui com escoamento pela seção que a define. A vazão de um rio varia muito ao longo do ano, portanto é necessário conhecer essa variabilidade para melhor definir a disponibilidade natural do rio no atendimento da demanda (TUCCI, 2005). A disponibilidade hídrica de uma bacia é avaliada com base na série hidrológica de vazões afluentes através da sua distribuição estatística temporal. Essas vazões dependem das características da precipitação, evapotranspiração (total, variabilidade temporal e espacial) e da superfície do solo, que são os condicionantes naturais (TUCCI, 1997). O desenvolvimento urbano tem produzido um ciclo de contaminação gerado pelos efluentes da população urbana, que são o esgoto doméstico/industrial e o esgoto pluvial. Este

20 14 processo normalmente ocorre devido ao despejo sem tratamento dos esgotos domésticos nos rios, contaminando os rios que possuem capacidade limitada de autodepuração. A falta de investimentos nos sistemas de esgotamento sanitário e de estações de tratamento que, quando existem, apresentam baixa eficiência são uns dos grandes responsáveis pelas fontes de contaminação. A principal fonte difusa de contaminação se deve do despejo dos esgotos pluviais, que transportam grande quantidade de poluição orgânica e de metais, que atingem os rios nos períodos chuvosos (TUCCI, 2005). Segundo TUCCI (2005), com o tempo, áreas antes bem abastecidas tendem a reduzir a qualidade da sua água ou a exigir maior tratamento químico da água fornecida à população. Portanto, mesmo existindo hoje uma boa cobertura do abastecimento de água no Brasil, ela pode ficar comprometida se medidas de controle do ciclo de contaminação não forem tomadas. Inicialmente, quando a cidade tem pequena densidade, é utilizada a fossa séptica para disposição do esgoto. À medida que a cidade cresce e o poder público não investe no sistema, o esgoto sanitário de diferentes origens é conectado à rede pluvial. Esse escoamento converge para os rios urbanos e o sistema fluvial de jusante, gerando os conhecidos impactos na qualidade da água (TUCCI, 1997). A tendência do desenvolvimento urbano é o de contaminar a rede de escoamento superficial com despejos de esgotos cloacais e pluviais inviabilizando o manancial e exigindo novos projetos de captação de áreas mais distantes, não-contaminadas, ou o uso de tratamento de água e esgoto mais intensivo, o que envolve custos maiores (TUCCI, 2005). 2.3 Impactos das ações humanas sobre a qualidade da água Poluição da água é qualquer alteração das propriedades físicas, químicas e biológicas que possa importar em prejuízo à saúde, bem-estar das populações e, ainda, comprometer a sua utilização para fins agrícolas, industriais, comerciais, recreativos e, especialmente, a existência da fauna aquática (BRASIL, 2005). Entende-se ainda por poluição das águas a adição de substâncias ou de forma de energia que, direta ou indiretamente, altera a natureza do corpo d água de maneira tal que prejudique os legítimos usos que dele são feitos (VON SPERLING, 1996).

21 15 As precárias condições que muitas vezes se encontram os corpos d água são freqüentemente os sintomas de problemas que estão ocorrendo ao longo da microbacia hidrográfica. Esses sintomas são resultantes das atividades extrativistas, da produção e do consumo de bens ou do despejo e emissão de esgotos domésticos e industriais. As tentativas de intervenção que se preocupam apenas em resolver o problema depois de instalado geralmente falham e frustram na medida em que recursos financeiros são investidos sem que se veja o retorno (MERTEN & MINELLA, 2002). As alterações provocadas na paisagem, sejam elas por estabelecimento de novas áreas de cultivo ou mesmo instalações rurais, levam a perda de características naturais do local. Elas propiciam que o potencial poluidor aumente a partir do momento que o equilíbrio ambiental é alterado. O desequilíbrio da natureza pelas ações humanas gera impactos no local ou em outras zonas, pois os ciclos naturais estão interligados (BRAILE, 1971). O comprometimento da qualidade da água para fins de abastecimento doméstico é decorrente de poluição causada por distintas fontes, tais como efluentes domésticos, efluentes industriais e deflúvio superficial urbano e agrícola. Os efluentes domésticos, por exemplo, são constituídos basicamente por contaminantes orgânicos, nutrientes e microrganismos que podem ser patogênicos. Os poluentes resultantes do deflúvio superficial agrícola são constituídos de sedimentos, nutrientes, agroquímicos e dejetos de animais (MERTEN & MINELLA, 2002). As fontes de contaminação são divididas em difusas e pontuais. Entende-se por poluição difusa a ação de contaminação que ocorre esparsa na natureza por todo tipo de resíduo orgânico ou inorgânico, inserido pelo homem, que pode ser carreado pelo deflúvio superficial para os mananciais de água. Diferente do que ocorre na indústria, por exemplo, quando lança algum tipo de contaminante de forma pontual em um manancial d água (BRAILE, 1971). Segundo Von Sperling (1996), na poluição difusa os poluentes adentram no corpo d água distribuídos ao longo da sua extensão, como é o caso da poluição por fertilizantes ocorridas ao longo de uma bacia de captação em regiões onde a agricultura é intensiva. Já a poluição pontual é aquela na qual os poluentes atingem o corpo d água de forma concentrada no espaço. Um exemplo é o da descarga direta em um rio dos esgotos gerados pela unidade familiar.

22 Esgoto Doméstico As águas que compõe o esgoto doméstico compreendem as águas utilizadas para higiene pessoal, cocção e lavagem de alimentos e utensílios, além da água usada em vasos sanitários. Os esgotos domésticos são constituídos, primeiramente por matéria orgânica biodegradável, microorganismos (bactérias, vírus, etc.), nutrientes (nitrogênio e fósforo), óleos e graxas, detergentes e metais (BENETTI & BIDONE, 1995 apud PERREIRA 2007). A matéria em suspensão, para efeito de controle da operação de sedimentação, costuma ser classificada em: sedimentável (aquela que sedimenta num período razoável de tempo, tomado arbitrariamente em 1 ou 2 horas) e, não sedimentáveis (finamente dividida e que não sedimenta no tempo arbitrário de 2 horas). Em termos práticos, a matéria não sedimentável só será removida por processos de oxidação biológica e de coagulação seguida de sedimentação (CHAGAS, 2000). Os odores característicos dos esgotos são causados pelos gases formados no processo de decomposição. Quando ocorrem odores diferentes e específicos, o fato se deve a presença de despejos industriais. Nas estações de tratamento o mau cheiro eventual pode ser encontrado não apenas no esgoto em si, se ele chega a estado séptico, mas principalmente em depósitos de material gradeado, de areia, e nas operações de transferência e manuseio do lodo. Assim, uma atenção especial deverá ser dada as unidades que mais podem apresentar esses odores desagradáveis, como é o caso das grades na entrada da ETE, das caixas de areia, e dos adensadores de lodo (JORDÃO, 1995). A composição química das diversas substâncias presentes nos esgotos domésticos é extremamente variável, dependendo dos hábitos da população e diversos outros fatores. Esta variação vem sendo verificada devido a utilização de modernos produtos químicos de limpeza utilizados nas residências. O grau de complexidade da composição química de tais substâncias vem aumentando significativamente, sendo exemplo notório a presença de detergentes em concentrações cada vez maiores, bem como alguns inseticidas e bactericidas, que já merecem estudos específicos de região para região (ROQUE, 1997). Os surfactantes são constituídos por moléculas orgânicas com a propriedade de formar espuma no corpo receptor ou na estação de tratamento em que o esgoto é lançado. Tendem a se agregar à interface ar-água, e nas unidades de aeração aderem à superfície das bolhas de ar, formando uma espuma muito estável e difícil de ser quebrada. O tipo mais comum é o

23 17 chamado ABS (Alquil Benzeno Sulfonado), típico dos detergentes sintéticos e que apresenta resistência a ação biológica; este tipo vem sendo substituído pelos do tipo "LAS" (Arquil Sulfonado Linear) que é biodegradável (CHAGAS, 2000). Os grupos de substâncias orgânicas nos esgotos são constituídos principalmente por compostos de proteínas (40 a 60%), carboidratos (25 a 50%), gordura e óleos (10%) e uréia, surfactantes, fenóis, pesticidas (JORDÃO, 1995; CHAGAS, 2000). Já as proteínas são produtoras de nitrogênio e contém carbono, hidrogênio, oxigênio, algumas vezes fósforo, enxofre e ferro. As proteínas são o principal constituinte de organismo animal, mas ocorrem também em plantas. O gás sulfidrico presente nos esgotos é proveniente do enxofre fornecidos pelas proteínas (CHAGAS, 2000). Os principais grupos de microorganismos que devem ser analisados como importantes para os processos de tratamento, são os utilizados nos processos biológicos, os indicadores de poluição e especialmente os patógenos, que são aqueles capazes de transmitir doenças por veiculação hídrica. Os principais organismos encontrados nos esgotos são: as bactérias, os fungos, os protozoários, os vírus, as algas e os grupos de plantas e animais (CHAGAS, 2000). Tabela 1: Valores típicos de parâmetros de carga orgânica (mg/l) no esgoto sanitário Parâmetros Condições do Esgoto Forte Médio Fraco DBO 5 (20 C) O. C O. D Nitrogênio Total Nitrogênio Orgânico Amônia Livre Nitrito, NO 2 0,1 0,05 0 Nitratos, NO 3 0,4 0,2 0,1 Fósforo Total Orgânico Inorgânico Fonte: Quadro modificado de Jordão (1995) Esgoto Industrial As águas residuárias industriais apresentam uma grande variação tanto na sua composição como na sua vazão, refletindo seus processos de produção. Originam-se em três pontos:

24 18 a) Águas sanitárias: efluentes de banheiro e cozinhas; b) Águas de refrigeração: água utilizada para resfriamento; c) Águas de processos: águas que têm contato direto com a matéria-prima do produto processado. As características das águas sanitárias são as mesmas dos esgotos domésticos. Já as águas de resfriamento possuem dois impactos importantes que devem ser destacados (PEREIRA, 2007). O primeiro é a poluição térmica, pois para os seres vivos, os efeitos da temperatura dizem respeito à aceleração do metabolismo, ou seja, das atividades químicas que ocorrem nas células. A aceleração do metabolismo provoca aumento da necessidade de oxigênio e, por conseguinte, na aceleração do ritmo respiratório. Por outro lado, tais necessidades respiratórias ficam comprometidas, porque a hemoglobina tem pouca afinidade com o oxigênio aquecido. Combinada e reforçada com outras formas de poluição ela pode empobrecer o ambiente de forma imprevisível (MIERZWA, 2001 apud PERREIRA 2007). Estes mesmos impactos são observados devido aos efluentes de usinas termoelétricas. Em segundo lugar é que as águas de refrigeração são fontes potenciais de cromo, as quais são responsáveis por parte das altas concentrações de cromo hexavalente na região norte da Lagoa dos Patos, que recebe as águas do pólo industrial (PEREIRA, 2003 apud PEREIRA 2007). 2.4 O monitoramento dos recursos hídricos Conforme Toledo (2004), o monitoramento basicamente é conduzido através da avaliação de parâmetros químicos (nível de oxigênio dissolvido, sedimentos suspensos, metais, nutrientes e pesticidas), parâmetros físicos (temperatura, cor da água, velocidade da água) e, parâmetros biológicos relacionados à abundância e variedade da flora e fauna do ambiente aquático. O sucesso de estudo de monitoramento está na dependência direta da escolha e localização dos pontos amostrais e desta maneira, as micro-bacias, sendo um sistema natural de drenagem, representam as interconexões de todos os corpos de água e se constituem na ferramenta ideal de distribuição dos locais de amostragem. Estes pontos de monitoramento

25 19 podem ser estabelecidos na forma de uma base fixa contínua, para atender necessidades específicas ou, em forma temporária ou sazonal. O propósito do monitoramento da qualidade da água deve ser diretamente relacionado a objetivos específicos para os quais se direcionam os trabalhos, isto é, verificar tendências de alterações da qualidade da águas, busca de indicadores, avaliação de impactos ambientais, alteração de características biológica, etc. (HARMANCIOGLU et al, 1998). Estas alterações podem estar distribuídas ao longo do eixo de drenagem num dado momento, caracterizandose desta maneira a presença de fontes pontuais de contaminação. A maioria dos ecossistemas aquáticos são simultaneamente afetadas por fatores relativos à distribuição espacial das fontes pontuais de contaminação assim como pelos processos distribuídos no tempo ocasionados pelas fontes não pontuais, o que dificulta a interpretação dos resultados de qualidade de água (PEREIRA, 2007). 2.5 Indicadores de Qualidade de Água Devido à complexidade na avaliação de impacto ambiental na qualidade da água, uma ou outra estratégia básica deve ser definida no sentido de viabilizar o trabalho de monitoramento em termos de custos-benefícios, sem acrescer informações redundantes. Dentre estas estratégias, a amostragem continuada, extremamente custosa, é mais eficiente quando se tem como objetivos a fiscalização e análise de tendências. A outra estratégia, de amostragens intermitentes, é factível nos trabalhos de impacto ambiental e seleção de indicadores de qualidade de água (SANDERS & ADRIAN, 1978). O uso de indicadores de qualidade de água esta diretamente relacionada com o propósito do monitoramento a ser realizado, sendo escolhidos aqueles que apresentam maiores chance de sucesso na caracterização das mudanças que ocorrem numa micro-bacia. O conceito de qualidade de água poderá ser descrito por um indicador apenas ou pela combinação de mais de 100 variáveis. A seleção das variáveis a serem incluídas num monitoramento freqüentemente requer a associação entre como conhecê-las e a necessidade de conhecê-las Na maioria dos casos, elas são selecionadas, buscando investigar o impacto das fontes poluidoras predominantes na micro-bacia. A gama de indicadores passíveis de serem utilizados é enorme: ph, OD, DBO, DQO, turbidez, temperatura, condutividade,

26 20 nutrientes, metais pesados, agrotóxicos, etc., entretanto nenhum deles poderá mostrar as mudanças se o objetivo do monitoramento não for delineado (MAKELA & MEYBECK, 1996; CHAPMAN & KIMSTACH, 1997). Cada sistema lótico possui características próprias, o que torna difícil estabelecer uma única variável como um indicador padrão para qualquer sistema hídrico. Neste sentido, a busca em trabalhos de campo é a obtenção de índices de qualidade de água que reflitam resumidamente e objetivamente as alterações, com ênfase para as intervenções humanas, como os usos agrícolas, urbanos e industriais (COUILLARD & LEFEVBRE, 1985). 2.6 As Legislações e Padrões de Qualidade das Águas Superficiais O Ministério do Meio Ambiente, através do Conselho Nacional do Meio Ambiente, na Resolução CONAMA n 357, de 17 de março de 2005, que dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências (BRASIL, 2005), e a resolução CONAMA n 430, de 13 de maio de 2011, que Dispõe sobre as condições e padrões de lançamento de efluentes, complementam e alteram a Resolução n 357, de 17 de março de 2005, do Conselho Nacional do Meio Ambiente-CONAMA. (BRASIL, 2011), retrata que existem parâmetros aceitáveis para os diferentes usos da água, desde o consumo humano até águas para recreação ou atividades esportivas. Tal legislação está baseada em normatizações estabelecidas nos países desenvolvidos e que em muitos casos possuem características socioculturais e econômicas completamente distintas das encontradas no Brasil. Segundo a resolução, os corpos de água foram classificados em nove categorias, sendo cinco classes de água doce (salinidade <0,5 ), duas classes salinas (salinidade superior a 30 ) e duas salobras (salinidade entre 0,5 e 30 ). A classe "especial" é apta para uso doméstico sem tratamento prévio, enquanto o uso doméstico da classe IV é restrito, mesmo após tratamento, devido à presença de substâncias que oferecem risco à saúde humana. A classificação padronizada dos corpos de água é realizada com base nos usos preponderantes e possibilita que se fixem metas para atingir níveis de indicadores consistentes com a classificação desejada (MERTEN & MINELLA, 2002).

27 21 O Ministério da Saúde, através da Portaria n.º 518, de 25 de março de 2004, estabelece os procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e o seu padrão de potabilidade, e dá outras providências (BRASIL, 2004) e também trata de indicadores de qualidade de água, sendo que esta legislação igualmente segue regulamentações internacionais desenvolvidas para diferentes situações. A Portaria n.º 518/2004 estabelece, em seus capítulos e artigos, as responsabilidades por parte de quem produz a água, no caso, os sistemas de abastecimento de água e de soluções alternativas, a quem cabe o exercício de controle de qualidade da água e das autoridades sanitárias das diversas instâncias de governo, a quem cabe a missão de vigilância da qualidade da água para consumo humano. Também ressalta a responsabilidade dos órgãos de controle ambiental no que se refere ao monitoramento e ao controle das águas brutas de acordo com os mais diversos usos, incluindo o de fonte de abastecimento de água destinada ao consumo humano. Além dessas legislações, há ainda a regulação aplicada pelo Conselho Estadual do Meio Ambiente (CONSEMA) através da Resolução nº. 128, de 24 de novembro de 2006 que dispõe sobre a fixação de Padrões de Emissão de Efluentes Líquidos para fontes de emissão que lancem seus efluentes em águas superficiais no estado do Rio Grande do Sul (CONSEMA, 2006). Esta resolução vem pela necessidade de preservar a qualidade ambiental, de saúde pública e dos recursos naturais, quanto ao lançamento de efluentes líquidos em águas superficiais no Estado do Rio Grande do Sul e pela necessidade de redução progressiva da carga poluidora lançada nos recursos hídricos. Entretanto, nota-se a dificuldade em se fazer cumprir essa e as demais legislações em vigor. Isso talvez ocorra pelo fato de não se conhecer profundamente as leis, bem como por não se saber quais parâmetros são confiáveis ou se encaixam na situação vivenciada. 2.7 Transporte de Massa em Rios Segundo Silvino (2008) a variação de um constituinte num sistema hídrico depende da advecção, difusão e dispersão que ocorre no fluxo, representada na (Equação 1 do transporte a

28 22 seguir, onde os termos a direita trata da dispersão, advecção, reações e interações, fontes externas, respectivamente: (Equação 1) A advecção consiste no movimento das partículas com fluxo unidirecional, em que a substância a ser transportada não perde sua identidade. (CHAPRA, 2004). No caso de rios, advecção move os constituintes de montante para jusante, com o resultado do movimento do próprio líquido. Nos rios a advecção é um dos principais mecanismos de transporte de constituintes (CHAPRA, 2004; SILVINO, 2008). A difusão refere-se ao movimento da massa devido ao movimento aleatório do líquido ou à mistura. Este transporte causa o espalhamento do constituinte ao longo do tempo, com um desprezível movimento do seu centro de massa. Numa escala microscópica, a difusão molecular resulta do movimento aleatório browniano das moléculas de água. Numa escala maior, um movimento aleatório também ocorre causado pela difusão turbulenta. Ambas têm a tendência de minimizar diferenças de concentração pelo fato de moverem a massa de regiões de alta concentração para regiões de baixa concentração (CHAPRA, 1997; VON SPERLING, 2007). Os termos difusão e dispersão são várias vezes usadas sem distinção. Geralmente, o transporte associado com a ação molecular e turbulenta tem sido referido como difusão, e o transporte associado com as variações de velocidade através da seção de fluxo como dispersão (ARCEIVALA, 1981 apud VON SPERLING, 2007). A difusão é devida ao movimento aleatório do constituinte na água no tempo, ao passo que a dispersão é devido ao movimento diferencial da água no espaço (por exemplo, diferenças de velocidade entre centro e margens de um rio) (CHAPRA, 1997; VON SPERLING, 2007). A nomenclatura do coeficiente de difusão pode variar, dependendo se ele representa a difusão molecular ou a difusão turbulenta. Assim para cursos d água, D é também referido como coeficiente de dispersão longitudinal ou axial (ARCEIVALA, 1981 apud VON SPERLING, 2007).

29 Dispersão Longitudinal Segundo Silvio (2008), em várias situações na modelagem de qualidade de água faz-se necessário que se leve em consideração o fluxo disperso, de forma a permitir uma melhor estimativa do espalhamento dos poluentes lançados nos rios. A determinação experimental do coeficiente de dispersão em um corpo d água é feita por meio de estudos com traçadores, que embora mais realísticas, necessitam de tempo e disponibilidade financeira, além de refletirem apenas as condições de dispersão no local e época da medição (VON SPERLING, 2007; SILVINO, 2008). De acordo com Von Sperling (2007), existem vários métodos analíticos para determinar do coeficiente de dispersão, mas nem todos são capazes de estimar o coeficiente igualmente bem, já que as condições reais nos cursos d água podem variar amplamente das assumidas numa dada equação analítica. Segundo os mesmos autores, uma estratégia interessante pode ser o emprego de algumas poucas medições de campo, e confrontar-se aos resultados de modo a se inferir qual o método analítico se adapta as condições reais do curso d água. Uma abordagem é a análise de sensibilidade. Na maior parte dos rios, o principal mecanismo de transporte é o advectivo e a dispersão longitudinal tem uma influência pequena ou desprezível. No entanto, em situações particulares pode ser justificável a incorporação deste mecanismo de transporte (VON SPERLING, 2007; SILVINO, 2008). 2.9 Modelos Matemáticos de qualidade da água Os modelos matemáticos são instrumentos originalmente desenvolvidos para auxiliar na solução de problemas. Não obstante, além de serem utilizados para ajudar na minimização de problemas de poluição, eles possibilitam compreender o meio ambiente e visualizá-lo integrado, pois os modelos matemáticos associam as informações físicas, químicas e biológicas (CHAPRA, 1997).

30 24 As técnicas de modelagem de qualidade de água vêm sendo aprimoradas desde a sua origem com o modelo desenvolvido por Streeter e Phelps (1925) no trabalho denominado O estudo da poluição e purificação natural do Rio Ohio. Esse modelo considera o escoamento permanente uniforme e simula os parâmetros DBO e OD. O modelo Streeter- Phelps representa o marco dos modelos que posterior e atualmente vem sendo aperfeiçoado (OPPA, 2007). Os modelos são cada vez mais reconhecidos como instrumentos úteis para simular processos de gestão das águas e constantemente refinados e atualizados, para encontrar soluções de problemas novos e emergentes da poluição de água superficial (BOCKELMANN et al, 2004 apud LIMA, 1997). A revisão dos modelos desenvolvidos desde o modelo de Streeter e Phelps (1925) até os modelos utilizados atualmente é complexa, devido ao grande número de publicações. Entretanto, são mencionados alguns modelos atuais importantes conforme está apresentado na Quadro 1. Quadro 1: Evolução dos modelos de qualidade da água Fonte: Modificado de Romeiro (2003 apud OPPA, 2007).

31 25 Os modelos de qualidade da água são cada vez mais utilizados por gestores como auxílio à tomada de decisão. Desta forma, a escolha de um modelo matemático depende (TUCCI, 1998): a) Das características do sistema a ser simulado; b) Do nível de precisão desejado em função dos objetivos do projeto; c) Dos dados disponíveis; d) Da disponibilidade de metodologia para representar os processos identificados Desde o surgimento do modelo de Streeter e Phelps (1925), vários modelos foram criados para solucionar os mais diversos problemas de qualidade da água. Todos esses modelos possuem um mesmo objetivo: auxiliar os gerenciadores dos recursos hídricos na tomada de decisões (SEFFRIN, 2001, apud OPPA, 2007). Bittencourt et al. (1997) apud OPPA (2007) selecionaram modelos de qualidade da água, comparando as capacidades e limitações de cada modelo. Muitos modelos de quantidade e qualidade da água são desenvolvidos em função de um problema em particular ou de uma série deles. Com isso, foi demonstrado que a seleção de modelos apropriados depende das necessidades de gestão e das características de cada bacia hidrográfica. A escolha de um determinado modelo matemático deve atender ao planejamento de toda a extensão da bacia, e não de pontos isolados. A seguir serão citados alguns modelos importantes de simulação da qualidade de água. O modelo AQUASIM foi desenvolvido nos anos de 1991 a 1994 no Instituto Suíço de Ciência Ambiental e Tecnologia. O modelo é capaz de executar simulações, análises de sensibilidade e estimativas de parâmetro que usam dados medidos. As simulações feitas pelo usuário revelam se certas suposições modelares são compatíveis com dados medidos. O AQUASIM permite que o usuário modifique estrutura modelar e valores dos parâmetros facilmente (N-STEPS, 2009). O AQUATOX é um modelo de simulação de sistemas aquáticos, que prediz o destino de vários poluentes, como nutrientes e produtos químicos orgânicos, bem como os seus efeitos nos peixe, invertebrados e plantas aquáticas (ecossistemas). Esse modelo é um instrumento valioso de ecologistas, biólogos, modeladores de qualidade de água interessados em avaliar os riscos ecológicos de ecossistemas aquáticos (OPPA, 2007).

32 26 O BASINS foi desenvolvido, originalmente, em 1996 com lançamentos subseqüentes em 1998 e 2001, esse modelo é um sistema de análise ambiental de uso múltiplo. Ele foi projetado para o uso das agências regionais, estatais e locais para os estudos de qualidade de água. BASINS permite avaliar rapidamente grandes montantes de 28 dados de fontes não pontuais e pontuais em um formato de fácil uso e entendimento. Instalado em um computador pessoal, BASINS permite que o usuário avalie a qualidade de água na bacia (OPPA, 2007) Modelo QUAL2K Segundo Chapra et al. (2006), o modelo QUAL2K foi desenvolvido com a finalidade de simular a qualidade de rios e córregos. Foi desenvolvido inicialmente por CHAPRA, S.C, da Universidade de Tufts que pretendia representar uma versão mais modernizada do modelo QUAL2E, pois neste novo modelo, foram aplicados novos parâmetros em sua estrutura, como os apresentados na Quadro 2. Quadro 2. Diferenças entre o QUAL2K e o Qual2E Parâmetro do modelo Qual2E QUAL2K Fontes Autóctones Não Sim Desnitrificação Não Sim Troca de OD pelas plantas fixas Não Sim Número máximo de junções 6 15 Número máximo de trechos Número máximo de elementos Fonte: Park e Lee, 2002 apud BOTTINO, 2008 O modelo QUAL2K baseia-se em equações diferenciais ordinárias em sistemas unidimensionais e com fluxo constante, trançando desta forma a condição de homogeneidade de uma mesma seca transversal. O QUAL2K considera toda a extensão do rio com características hidráulicas constantes em cada trecho, como inclinação de talude ou largura de fundo. Na Figura 1 é apresenta a forma de inserção das informações de um corpo hídrico no modelo, em que ele é numerado em ordem crescente a partir da nascente ou cabeceira, sendo

33 27 que as fontes pontuais e as fontes difusas podem se posicionar em qualquer trecho (CHAPRA et al. 2006; BOTTINO, 2008). Fonte: Bottinoo (2008) adaptado de Chapra (2006). Figura 1. Diagrama de um corpo hídrico sem tributários. Chapra et al. (2006) apresenta um novo exemplo de segmentação de corpo hídrico, sendo este com a existência de tributários ao longo de sua abrangência. Nota-se que a numeração destes trechos segue como no exemplo anterior, porem, na existência de um tributário, a numeração continua do inicio deste. Deve-se fazer uma diferenciação entre o corpo hídrico principal e os tributários, para que o software identifique-o e lote os tributários independentemente, assim como o rio principal. Ressalta-se aindaa que o modelador possa reduzir os trechos em subdivisões, para uma análise mais focada.

34 28 Para cada elemento criado no diagrama (Figura 2), é realizado um balanço de vazão, considerando o escoamento em regime permanente, modelando as fontes difusas como fontes lineares. Fonte: SEMA (2008) adaptado de Chapra (2006) Figura 2. Diagrama de um corpo hídrico com seus tributários O modelo QUAL2K assume que o regime hidráulico do rio ou canal é permanente, desta forma, o balanço hidrológico de um elemento pode ser descrito pela soma das entradas ou retiradas externas. Com a determinação do balanço de fluxo de cada elemento criado, é necessária a inserção da largura e da profundidade do trecho analisado, podendo esta ser obtida através de métodos de vertedouro, coeficiente de descarga e equação de Manning (Figura 3), (Chapra et al. 2006; BOTTINO, 2008).

35 29 Fonte: Chapra (2006) Figura 3: Canal trapezoidal (equação de Manning) O modelo QUAL2K também trabalha com a modelagem de balanço de massa para cada item do modelo, com exceção das variáveis ligadas as algas de fundo. O Modelo acaba gerando para cada elemento disponibilizado um resultado proveniente da equação geral do balanço de massa, obtendo desta maneira uma seqüência de informações sobre os trechos do rio. A Figura 4 apresenta como funciona o diagrama desta equação (CHAPRA et. al. 2006; BOTTINO, 2008). Figura 4. Balanço geral de calor simulada

36 30 Para apresentação dos resultados, seguindo a idéia de Chapra et. al. (2006; Bottino (2008), em que o mesmo diz que o QUAL2K possui uma organização de planilhas com fácil compreensão, sendo elas separadas por cores e identificadas que informação consiste em cada aba. As azuis representam os valores de variáveis, as amarelas os locais de entrada dos dados de parâmetros simulados ao longo do rio, as verdes os valores simulados e as rosas os resultados obtidos no modelo. As variáveis simuladas pelo modelo QUAL2K estão listadas na Quadro 3. Quadro 3: Variáveis simuladas pelo modelo QUAL2K Variáveis Símbolo Unidade Condutividade s µµηοσ Sólidos Suspensos Inorgânicos m i mgd/l Oxigênio Dissolvido o mgo 2 /L DBOC reação lenta c s mgo 2 /L DBOC reação rápida c f mgo 2 /L Nitogênio Orgânico n o µγν/λ Nitrogênio Amoniacal n a µγν/λ Nitrato n n µγν/λ Fósforo Orgânico p o µγπ/λ Fósforo Inorgânico p i µγπ/λ Fitoplancton a p µγα/λ Detritus m o mgd/l Patógenos X cfu/100 ml Alcalinidade Alk mgcaco 3 /L Carbono Total c T mole/l Biomassa de Algas de Fundo a b mga/m 2 Nitrogênio de Algas de Fundo IN b mgn/m 2 Fósforo de Algas de Fundo IP b mgp/m 2 Fonte: CHAPRA, 2006 As principais variáveis utilizadas na avaliação da situação de um corpo d água quanto à poluição orgânica são: OD e DBO. A escolha da maioria dos autores em simular o comportamento destas duas variáveis se justifica pelas diversas interações que elas possuem com outras variáveis de qualidade de água ou hidráulicas (presença de barragens, alta declividade, etc.) (FONSECA, 2008).

37 Reaeração e sua Quantificação Siqueira (2005) diz que o processo de troca de oxigênio entre a atmosfera e o corpo hídrico chama-se reaeração ou reoxigenação. Ela é observada fisicamente quando o oxigênio reoxigena da atmosfera através do movimento das águas. Em águas correntes essa reaeração tem um papel importante para a manutenção da vida aquática aeróbica e facultativa. No Quadro 4 sugerido por Rathabun (1977), tem-se o uso de equações preditivas de K2, disponíveis na literatura, usado em alguns estudos ou modelação da qualidade da água onde não existam condições técnicas ou financeiras para realizá-la a campo. Quadro 4: Equações de previsão para o coeficiente de reaeração, K2, (d -1 ), na base logarítmica, a 20 ºC. Existem varias técnicas de medição e modelos de previsão destes coeficientes. Mas, segundo o que Rathabun (1977), existem três técnicas de medição desses coeficientes de reaeração em águas correntes destacando-os: a) A técnica de balanço de oxigênio; b) A técnica da perturbação do equilíbrio; c) A técnica dos traçadores.

38 32 Continuando no mesmo pensamento de Rathabun (1977), ele descreve que um método indireto para quantificação do coeficiente de reaeração utilizando uma sonda solúvel. Na Tabela 2, segundo Von Sperling (2007), temos os coeficientes de reaeração para corpos hídricos com diversas características. Tabela 2: Coeficiente de reaeração para corpos hídricos com diversas características Fonte: Vong Sperling (2007). Segundo Vong Sperling (2007), corpos d água mais rasos e mais velozes tendem a possuir um coeficiente de reaeração maior, devido à facilidade de mistura ao longo da profundidade e as maiores turbulências na superfície. Segundo o mesmo autor alguns pesquisadores obtiveram valores de K2, apresentado na Tabela 2, que são usualmente menores do que os obtidos pelos outros métodos Desoxigenação de DBO e seus coeficientes O QUAL2K simula duas formas de DBO carbonácea para representar o carbono orgânico. Essas formas são a de oxidação lenta (DBO lenta) e a de oxidação rápida (DBO rápida). Para a presente calibragem, usou-se a calibração de DBO rápida, sendo esta a que melhor se ajustou para os atuais dados. Segundo Chapra (2008), a taxa especifica de desoxigenação ou decaimento da DBO obtida em laboratório (kdc) possui valores típicos que variam de 0,05 a 0,5 d -1 de acordo com o nível de tratamento a ser lançado. No entanto, o coeficiente de decomposição da DBO no rio

39 33 (Kd), que leva em consideração a degradação da matéria orgânica pela biomassa suspensa e a contida no lodo de fundo, é maior ou igual a Kdc, conforme se vê na Quadro 5. Quadro 5: Valores típicos dos coeficientes de remoção de DBO (K1 e K2) a 20 ºC *Rios rasos: profundidade inferior ou igual a 1,5 m; rios profundos superior a 1,5 m; Fonte: Adaptado de Von Sperling, 2007 apud Fonseca, Thomann & Mueller (1987) apud FONSECA (2008), sugerem a faixa para os valores de Kd, baseados na constatação de que rios mais rasos são mais influenciados pela biomassa presente nos sedimentos, a qual também contribui para a decomposição da DBO: a) Rios com profundidade superior a 1,5 m: Kd = 0,1 a 0,5 d -1 ; b) Rios com profundidade inferior a 1,5 m: Kd = 0,5 a 3,0 d -1.

40 34 3 MATERIAL E MÉTODOS 3.1 Local de Estudo Caracterização da Bacia do Rio Passo Fundo A bacia do rio Passo Fundo (Figura 5) origina-se no planalto brasileiro, formando parte da bacia do rio Uruguai, com declividade no sentido sul-norte desde a porção centro norte do território do Rio Grande do Sul. É formada principalmente pelos rios Passo Fundo, Erechim, dos Índios e Lajeado do Lobo. Originalmente coberto por florestas e cortado por vários outros afluentes, abriga os Campos de Cima da Serra, estendendo-se do sul de São Paulo até o rio Jacuí; limitada a leste pelo Atlântico, chega ao nordeste da Argentina. (CBHPF, 2011). Fonte: CBHPF, 2011 Figura 5. Divisão Bacia Hidrográfica

41 35 A Bacia do Rio Passo Fundo, abrange 30 municípios (Figura 6) e drena uma área de 4.847,25 km², o que representa 3,83 % de sua Região Hidrográfica. Abrange os seguintes municípios: Barão de Cotegipe, Barra do Rio Azul, Benjamin Constant do Sul, Campinas do Sul, Coxilha, Cruzaltense, Entre Rios do Sul, Erebango, Erechim, Erval Grande, Estação, Faxinalzinho, Gramado dos Loureiros, Ipiranga do Sul, Itatiba do Sul, Jacutinga, Nonoai, Passo Fundo, Paulo Bento, Pontão, Ponte Preta, Quatro irmãos, Rio dos Índios, Ronda Alta, Rondinha, Sarandi, São Valentim, Sertão, Três Palmeiras e Trindade do Sul. Na divisão do Estado em bacias hidrográficas aprovada pelo Conselho de Recursos Hídricos do Estado a bacia hidrográfica e identificada com a sigla U- 20. Limita-se ao Norte com o Estado de Santa Catarina; a oeste com a bacia do rio da Várzea (U-100); ao sul com a bacia do Taquari Antas (G-050); e a leste com a bacia do Apuae- Inhandava (U-010). A vazão media anual e de 130,25 m³/s e a vazão mínima anual de 13,46 m³/s (CBHPF, 2011). Fonte: CBHPF, 2011

42 Caracterização do Rio Passo Fundo Figura 6. Bacia Hidrográfica do Rio Passo Fundo. Conforme dados apresentados no plano ambiental municipal (SMAM, 2011) de Passo Fundo, o Rio Passo Fundo tem sua origem no distrito de Povinho Velho, possuindo uma extensão total dentro do município, de 52,5 km, sendo 48,6 km de extensão em área não urbanizada e 3,9 km de extensão no perímetro urbano. O entorno do Rio Passo Fundo é considerado área de proteção permanente pelo Sistema Nacional de Unidades de Conservação e a proteção de mata nativa ciliar encontra amparo no Código Florestal, Lei nº 4.771, de 15 de setembro de 1965 (BRASIL, 1971). Na Lei Orgânica do Município nº 1.914, de 26 de agosto de 1980, também consta que todos os mananciais, cursos e reservatórios de água são protegidos como zonas de segurança de saúde pública. A resolução CONAMA 357/05 define 13 classificações para os corpos hídricos de acordo com o uso preponderante, especificando para os corpos hídricos sem classificação oficial o seguinte: Art. 42. Enquanto não aprovados os respectivos enquadramentos, as águas doces serão consideradas classe 2, as salinas e salobras classe 1, exceto se as condições de qualidade atuais forem melhores, o que determinará a aplicação da classe mais rigorosa correspondente. Visto que o rio Passo Fundo não possui um enquadramento concluído junto ao plano de bacias, para o atual estudo adotou-se o enquadramento na classe 2 para o rio, visando seguir o Art. 42 da resolução CONAMA nº 357/2005 (BRASIL, 2005). O rio Passo Fundo sempre foi um marco referencial importante para a passagem dos tropeiros, que abriram o caminho novo para encurtar o trajeto até a feira de Sorocaba. Segundo d Ávila (1996), passo fundo significa passagem, ou seja, o local pouco fundo de um rio, onde se pode transitar a pé ou a cavalo, unindo a região das missões ao centro do país. Assim, na época do povoamento, e muito antes, o passo era local de passagem obrigatória, pois num raio de muitos e muitos quilômetros, era o único lugar de passagem, tanto para as tropas quanto para as tropas militares sucessivas. (D ÁVILA, 1996).

43 37 Devido aos esgotos e poluentes jogados pelas indústrias e comunidade em geral (Figura 7 e Figura 8), o nível de poluição nas águas do Rio Passo Fundo aumenta. As indústrias com seus efluentes e os esgotos domiciliares não são os únicos responsáveis pela poluição, pois a população esquece a importância do Rio Passo Fundo, depositando de forma descontrolada dejetos de toda a natureza. Os resultados desta ação impensável são as enchentes, que, com a grande quantia de dejetos, os canais de drenagem onde o rio passa pela cidade fica entupido e causam inundações em dias de chuvas fortes. Figura 7. Efluente sendo lançado in situ entre o 5,76 km e 8,57 km

44 38 Figura 8. Resíduo seco nas águas do Rio Passo Fundo 3.2 Pontos Monitorados O monitoramento em estudo foi realizado no período de seis meses, distribuídas em um intervalo de 30 dias por amostragem. O planejamento da amostragem seguiu os procedimentos descritos nas normas ANBT NBR ISO/IEC : (2005), ABNT NBR 9898 (1987) e ABNT NBR 9897: (1987), que refere à forma de coleta e acondicionamento de amostragem. Além disso, de forma a seguir-se um critério único de intervalos de tempo, para obterem-se características singulares no que se refere ao clima e horário de coletas. Foram selecionados seis pontos estratégicos para fazer para monitoramento do Rio Passo Fundo. A escolha desses pontos conforme Figura 9 se deu com base na metodologia usada por Bottino (2008), onde o mesmo avalia a diversificação do uso e ocupação do solo e das atividades próximas ao leito do rio em estudo.

45 39 Fonte: Google Earth, 2010 Figura 9: Pontos de Monitoramento do Rio Passo Fundo. O percurso escolhido para o monitoramento, inicia-se no km 0, Figura 10, próximo a estrada férrea que cruza a cidade de Passo Fundo. Neste ponto que será monitorado observamse matas ciliares em seu contorno, mostrando que a cidade ainda não ultrapassou por completo suas margens de preservação permanentes e obrigatórias exigidas por lei. Este ponto localiza-se muito próximo à nascente, o que o caracteriza por baixas vazões.

46 40 Figura 10. Inicio do monitoramento (km 0) O segundo ponto escolhido para o monitoramento situa-se a 2,5 km do inicio do trecho em estudo, conforme Figura 11. A escolha do mesmo se deu com base na predominância de residências ao entorno do rio, atendo o objetivo de servir para avaliar a influência da população urbana. Figura 11. Córrego km 2,5, próximo as residências O rio passo fundo é constituído por vários afluentes. Ao escolher esse percurso identificado em azul na Figura 12, foi considerado um ponto tributário de entrada de água e, para se saber a carga de entrada desse ponto, o mesmo foi monitorado a uma distância de 10 metros antes de se encontrar com o percurso em estudo. Este tributário encontra-se a 4,21 km de distancia do inicio do percurso.

47 41 O terceiro ponto em estudo foi escolhido com o intuito de se ter uma noção da influencia do centro da cidade em comparação às características iniciais ao rio. Este ponto está a 5,76 Km de distancia ao inicio e se encontra próximo a prefeitura municipal da cidade. Figura 12. km 5,76 - próximo a Empresa COLEURB O quarto ponto esta localizado ao término da influência urbana da cidade de Passo Fundo. Ele está localizado a 8,57 km de distancia (Figura 13) e com uma vazão muito maior do que o inicio do percurso. A escolha desse ponto teve por principio monitorar o comportamento do rio ao longo de toda a influência urbano. Figura 13. km 8,57 próximo a Embrapa Trigo