21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 IV-037 AVALIAÇÃO DA CONTRIBUIÇÃO DE ESGOTO DOMÉSTICO PARA A QUALIDADE DA ÁGUA DA BAÍA DO ESPÍRITO SANTO UTILIZANDO MONITORAMENTO E MODELAGEM DE COLIFORMES FECAIS Mônica de Souza Mendes Castro (*) Engenheira Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Mestranda em Engenharia Ambiental (UFES). Professora do Departamento de Hidráulica e Saneamento (UFES). Julio Tomás Aquije Chacaltana Bacharel em Engenharia Mecânica dos Fluidos pela Universidade Nacional Maior de São Marcos (Lima-Peru). Mestre e Doutor em Mecânica dos Fluidos (COPPE/UFRJ). Professor Adjunto do Departamento de Hidráulica e Saneamento e do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Ambiental (UFES). Edmilson Costa Teixeira Engenheiro Civil (UFBA). Mestre em Hidráulica e Saneamento (EESC-USP). Doutor em Engenharia de Recursos Hídricos (Universidade de Bradford-Inglaterra). Professor Adjunto do Departamento de Hidráulica e Saneamento e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental (UFES). Daniel Rigo Engenheiro Civil (UFES). Mestre em Recursos Hídricos (COPPE/UFRJ). Doutorando em Engenharia Oceânica (COPPE/UFRJ). Professor Assistente do Departamento de Hidráulica e Saneamento (UFES). Endereço (*) : DHS-CT/UFES Caixa Postal CEP: Vitória ES - Brasil - Tel: (27) e- mail: juliotac@npd.ufes.br. RESUMO Este trabalho apresenta resultados de um estudo, em desenvolvimento, que visa a avaliação da contribuição de esgotos domésticos na qualidade da água da Baía do Espírito Santo, fazendo-se uso de modelagem computacional e de monitoramento de campo de parâmetros hidrodinâmicos e de qualidade de água. O modelo computacional usado para avaliar o espalhamento da pluma de esgoto na região de estudo é do tipo 2DH, e utilizou-se as bactérias do grupo Coliforme fecal como parâmetro de qualidade de água. O principal contribuinte de esgotos domésticos para a Baía é o Canal da Passagem, e este trabalho foi direcionado para sua desembocadura na Baía e vizinhanças. Para avaliar a resposta do modelo computacional foi feita uma campanha de monitoramento de Coliformes fecais, maré e corrente. Os resultados experimentais mostraram o deslocamento da pluma em direção à praia de Camburi. Para reproduzir a pluma de esgotos oriunda do Canal foram feitos vários testes de simulações e testadas diversas condições de contorno. PALAVRAS-CHAVE: Modelagem computacional, Coliformes fecais, dispersão, águas costeiras, qualidade d água. INTRODUÇÃO Ao longo da costa brasileira estão localizados grandes centros urbanos que, freqüentemente, não possuem uma destinação adequada para os esgotos domésticos, industriais e resíduos sólidos. Desta forma, baías e estuários recebem dejetos com pouco ou, como na maioria dos casos, nenhum tipo de tratamento, prejudicando o uso destas áreas para balneabilidade, turismo e outros usos possíveis. Pessoas que tenham contato com águas contaminadas com esgotos domésticos ficam submetidas a contraírem doenças devido à presença de enterobactérias nestes dejetos, um exemplo comum são as infecções de olhos, ouvidos e garganta. Tais bactérias são de difícil detecção, por isso comumente adota-se um indicador de contaminação fecal, como as bactérias do grupo Coliformes fecais. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 Quando em contato com o meio ambiente estas bactérias ficam submetidas a condições adversas à sua sobrevivência. Os fatores que contribuem para tal estão relacionados com o ambiente onde é feito o lançamento dos esgotos. Para auxiliar na avaliação do impacto de lançamentos de esgotos domésticos em corpos d água, utilizam-se modelos numéricos. Estes, aliados ao monitoramento de campo, apresentam-se como uma ferramenta útil para simular os eventos que ocorrem no ambiente, além de permitir um aumento do conhecimento sobre os processos que interferem na qualidade da água, bem como simular cenários futuros. O monitoramento de campo é uma etapa importante, pois através da obtenção de dados de batimetria, intensidade e direção de velocidade de ventos e correntes, além dos parâmetros de qualidade de água, pode-se determinar quais as melhores condições de contorno e iniciais a serem adotadas. Estes dados de monitoramentos são indispensáveis na calibração e validação dos modelos computacionais. Os modelos de qualidade de água, que relacionam os processos ambientais locais e sua relação com a dispersão dos microorganismos, enfrentam um problema para a computação dos termos relacionados à concentração (densidade) de bactérias devido às incertezas ligadas à taxa de decaimento destas, além da especificidade do processo dispersivo para cada região. A contribuição da dispersão e da taxa de decaimento bacteriano tem sido objeto de diversos estudos, como Bowie et. al. (1983), Monteiro et. al. (1992), Roberts & Williams (1992), Canale et. al. (1993). O objetivo principal deste trabalho é apresentar resultados de um estudo, em desenvolvimento, que visa a avaliação da contribuição de esgotos domésticos oriundos do Canal da Passagem na qualidade da água da Baía do Espírito. São confrontando dados experimentais com numéricos obtidos nessa fase do estudo, além de apresentar o processo utilizado na implementação do modelo numérico. MATERIAIS E MÉTODOS DESCRIÇÃO DA ÁREA MODELADA A Baía do Espírito Santo está localizada na Região da Grande Vitória, no Estado do Espírito Santo, entre as coordenadas e Oeste e e Sul. A área de estudo, mostrada na figura 1, é composta por uma porção de mar aberto, com profundidades de até 28 m; pelos canais de acesso aos portos de Vitória e de Tubarão, com profundidades em torno de 12 e 25 m, respectivamente; pela parte interna à baía com profundidade média próxima de 6 m e pelo Canal da Passagem que apresenta profundidade máxima aproximada de 9 m em sua saída. A Baía do Espírito Santo é de grande importância econômica para região, pois além de comportar indústrias de grande porte como CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão) e CVRD (Companhia Vale do Rio Doce), tem suas águas requeridas para diversos usos. Dentre estes usos podemos destacar navegação comercial e recreativa, diluição de despejos domésticos e industriais, pesca de subsistência e lazer, prática de esportes náuticos, natação e paisagismo, a maior parte interferindo de alguma forma na qualidade da água. A praia de Camburi, com uma extensão aproximada de 5 km, é a principal praia do município de Vitória, e recebe contribuição de esgotos principalmente do Canal da Passagem. Este é uma ligação entre a Baía do Espírito Santo e a Baía de Vitória. Ao longo de sua extensão ocorre o lançamento de esgotos in natura ou com tratamento insuficiente, que no período da maré vazante alcança a Baía do Espírito Santo formando uma pluma de esgoto conforme pode ser visto na fotografia mostrada na figura 2. Esta fotografia foi tirada numa maré de quadratura após 4 horas do início da vazante, e é mostrada para caracterizar a região imediatamente impactada pelas águas provenientes do Canal da Passagem. A coloração da pluma na fotografia é bastante influenciada pela presença de matéria orgânica dissolvida proveniente dos manguezais na Baía de Vitória. Normalmente não se observa a intensidade da cor da pluma vista na fotografia, que foi feita em 01/02/2001. Na figura 2 podem ser vistos o pier que compõe a parte final do Canal da Passagem, ao fundo a Praia de Camburi e um dos pontos (P2) onde foi feita coleta de amostras de água. 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 Figura 1: Área modelada e configuração do fundo da Baía do Espírito Santo. Figura 2: Visualização da pluma gerada pelas águas do Canal da Passagem ao atingir a Baía do Espírito Santo ABES Trabalhos Técnicos 3

4 O padrão de escoamento é regido por marés semidiurnas com alturas máximas de 1,7 m na sizígia e 0,9 m na maré de quadratura. Para conhecer o comportamento hidrodinâmico da região próxima à saída do Canal da Passagem, bem como a qualidade da água, foi realizada uma campanha de monitoramento no dia 27/09/2000 para uma maré de sizígia com altura de 1,3 m. O período de monitoramento teve duração de 4 horas e 15 min e correspondeu à maré vazante, que iniciou às 15:45 h. Os dados de maré e corrente foram coletados através de um marégrafo e um correntógrafo instalados nos pontos mostrados na figura 3, durante o período da campanha. Também foram obtidos dados de maré da Tábua de Maré do Porto de Tubarão, ano Figura 3: Pontos de instalação do marégrafo (M) e do correntógrafo (C) Para a análise da qualidade da água foram amostrados os seguintes parâmetros: salinidade, temperatura e OD medidos em campo, e Coliformes fecais analisados em laboratório pela Técnica de Tubos Múltiplos conforme o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 1995). Os pontos de coleta (figura 4) foram escolhidos a partir de campanhas prévias com uso de derivadores, sendo as amostragens realizadas superficialmente. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Figura 4: Pontos de coleta MODELAGEM NUMÉRICA O modelo computacional utilizado foi o DIVAST (Depth Integrated Velocities And Solute Transportation), que é um modelo bidimensional horizontal (2DH). Este modelo já foi utilizado em diversos países, apresentando bons resultados (Falconer, 1997). O DIVAST também foi empregado na Baía do Espírito Santo, para modelagem dos padrões de escoamento de toda a Baía (Rocha, 2000). As equações de conservação empregadas são descritas a partir do sistema de referência de Euler, e discretizadas pelo método de diferenças finitas (Falconer, 1976). A malha computacional utilizada é retangular, composta de células quadradas com 20 m de lado e orientação de 148 em relação ao Norte, estando aproximadamente alinhada à entrada da onda de maré na Baía do Espírito Santo. Os dados batimétricos da região interna à Baía foram obtidos através da digitalização da carta náutica n 1401 produzida pela Marinha do Brasil. A configuração do fundo do Canal da Passagem foi obtida de um levantamento realizado por equipe do GEARH (Grupo de Estudos e Ações em Recursos Hídricos UFES). As condições de contorno adotadas foram: I1, J1, J2 e J3 corrente e I2 maré (ver figura 5). As correntes das condições I1 e J1 têm natureza oscilatória, uma vez que são regidas pela maré, assim esta variação foi representada através de uma onda senoidal com amplitude correspondente a valores obtidos anteriormente por Rocha (2000). Nas condições J2 e J3 a velocidade foi considerada constante devido à presença de correntes litorâneas, e os valores considerados foram obtidos do trabalho realizado por Rocha (2000). Em I2 a maré foi representada por uma onda senoidal com amplitude obtida da Tábua de Marés para o Porto de Tubarão. ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Figura 5: Malha computacional e condições de contorno Após a escolha das condições de contorno, iniciou-se a etapa de calibração do modelo, fazendo-se várias simulações para reproduzir a direção e a magnitude da velocidade medida no dia 27/09/2000. Em seguida, buscou-se simular numericamente a pluma de esgotos que alcança a Baía através do Canal da Passagem. Na simulação de Coliformes fecais foi utilizada a densidade de microorganismos de 9x10 7 NMP/100ml, com lançamento feito através de um emissário hipotético com uma vazão de 0,5 m³/s. O T 90 utilizado foi de 1,5 h (Occhipinti, 19--). RESULTADOS E DISCUSSÃO RESULTADOS EXPERIMENTAIS A amostragem de Coliformes fecais, na campanha de 27/09/00, comprovou o nível elevado de degradação das águas do Canal da Passagem, onde foram encontrados valores da ordem de 10 5 NMP/100ml de Coliformes fecais Como pode ser visto na figura 6, com auxílio da figura 4, o aumento da densidade de Coliformes fecais ocorre com o avanço da maré vazante, isto é, quando as águas do Canal da Passagem alcançam a Baía do Espírito Santo. Na direção do fluxo principal, pontos 1, 2 e 3, aparecem as maiores densidades. 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 1,E+06 1,E+06 Densidade CF (NMP/100ml) 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E+00 P1 15:36 16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55 20:24 Densidade CF (NMP/100ml) 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E+00 P2 15:36 16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55 20:24 Tempo (h) Tempo (h) 1,E+06 1,E+06 Densidade CF (NMP/100ml) 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E+00 P3 15:36 16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55 20:24 Densidade CF (NMP/100ml) 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E+00 P4 15:36 16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55 20:24 Tempo (h) Tempo (h) Figura 6: Variação da densidade de Coliformes fecais nos pontos de coleta ao longo da maré vazante. Após três horas e meia do início da vazante ocorreu um avanço da pluma em direção à Praia de Camburi, uma vez que observou-se um aumento da densidade de Coliformes fecais no ponto 4 (figura 6). Observa-se que o valor de pico de concentração de Coliformes fecais é de magnitude similar às concentrações máximas observadas nos pontos 1, 2 e 3, porém com tempo de permanência dessa concentração bem inferior em relação a estes pontos. Esta influência do Canal no ponto 4 é confirmada com os resultados de salinidade e temperatura, que também apresentaram alterações após 3,5 horas. Como mostrado na figura 7, ocorreu uma elevação na temperatura e uma diminuição na salinidade com o avanço da água salobra do Canal. ABES Trabalhos Técnicos 7

8 20,7 35,2 35,0 Temperatura ( o C) 20,6 20,5 20,4 Temperatura Salinidade 34,8 34,6 34,4 34,2 34,0 Salinidade (ppm) 33,8 20,3 33,6 15:36 16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55 20:24 Tempo (h) Figura 7: Variação da Temperatura e da Salinidade no Ponto 4 ao longo da maré vazante. RESULTADOS NUMÉRICOS A saída do Canal da Passagem é uma região bastante complexa devido, principalmente, à geometria local. Várias tentativas foram feitas para alcançar uma melhor resposta do modelo em relação às informações obtidas das medições. Dentre essas tentativas podem ser citadas como principais: adequações da geometria, melhoria da batimetria e condições de contorno. Geometria: A saída do Canal da Passagem é formada por um pier, uma ilha e uma ponta de continente e possui em torno de 100 m de largura. Buscou-se reproduzir sua geometria para melhor representar a direção da corrente medida em campo, porém as configurações adotadas não foram plenamente satisfatórias. Optouse então pela redução do tamanho da célula da malha de 20 para 10 m e observou-se uma pequena melhoria da direção da corrente. Contudo o tempo computacional tornou-se elevado e inviabilizou o uso deste tamanho de célula. Batimetria: Foram utilizadas algumas configurações batimétricas no sentido de verificar sua influência no fluxo principal dentro do Canal da Passagem. Verificou-se que tal procedimento não interferiu nos resultados. Uma causa possível da influência da batimetria na simulação do modelo seria o fato dos dados batimétricos no interior da Baía datarem de 1983 e já terem ocorrido diversas modificações ao longo da Praia de Camburi daquela data até agora. Condições de Contorno: A configuração de malha apresentada na figura 5 foi adotada após tentativas com malhas de outros tamanhos. Num primeiro teste utilizou-se uma malha de 138 x 279 células, porém não foi obtida uma estabilização das condições de contorno. Um resultado melhor foi alcançado quando a malha foi aumentada para 158 x 279, entretanto, o aspecto da pluma não correspondeu ao observado nas medições. A malha atual de 360 x 312 células quadradas com 20 m de lado apresentou os melhores resultados. A figura 8 apresenta o resultado obtido de uma simulação de transporte de Coliformes fecais. O lançamento do poluente foi feito a partir de um emissário imaginário localizado junto a uma ponte da região, com uma vazão de 0,5 m³/s e densidade de 9x10 7 NMP/100ml. A figura corresponde a três horas após o início da vazante. A pluma simulada representa o espalhamento das bactérias durante a maré vazante. Nota-se que as maiores densidades de Coliformes fecais encontram-se na direção do fluxo principal, com valores de densidades na ordem de 10 4 NMP/100ml nos pontos 1, 2 e 3, enquanto os dados experimentais mostraram densidades da 8 ABES Trabalhos Técnicos

9 ordem de 10 5 NMP/100ml de Coliformes fecais no horário correspondente ao da simulação da figura 8. Ocorre também o deslocamento da pluma em direção a praia, porém com uma densidade inferior à medida em campo. Figura 8: Simulação de Coliformes fecais e pontos de amostragem. O fato da simulação não ter reproduzido completamente os resultados experimentais deve-se à influência de vários fatores, onde se pode destacar: A geometria da região é complexa e sua forma de representação no modelo pode ter interferido na direção do jato de massa d água que sai do Canal da Passagem. Outro fator importante é a batimetria, uma vez que os dados disponíveis podem ter sofrido modificações ao longo dos últimos anos. As condições de contorno hidrodinâmicas utilizadas não consideraram o período real da onda de maré no Canal da Passagem. Estudos anteriores mostraram que o período da maré enchente é superior ao da maré vazante no ponto P1. Outro ponto importante é a forma de introdução do emissário no modelo numérico, pois este considera o emissário como uma célula da malha e sua concentração de lançamento é distribuída dentro desta célula, ao longo da vertical (modelo 2DH). Assim, a estratificação vertical da pluma de esgotos existente na saída do Canal não é representada no modelo. CONCLUSÕES Os resultados experimentais demonstraram que ocorre o deslocamento da pluma de esgotos gerada no Canal da Passagem em direção à praia de Camburi após três horas e meia do início da vazante. Os dados obtidos sugerem um espalhamento da pluma de esgotos após alcançar a Baía do Espírito Santo. Durante a etapa de modelagem computacional verificou-se grande influência da geometria, batimetria e condições de contorno na capacidade preditiva do modelo. A simulação mostrou que as maiores densidades de Coliformes fecais ocorrem ao longo do fluxo principal do Canal. Apesar de sua importância, o monitoramento de campo é uma metodologia cara para o acompanhamento rotineiro da qualidade da água de uma determinada região, principalmente em águas costeiras que apresentam uma hidrodinâmica complexa. Dessa forma, os modelos computacionais tornam-se uma ABES Trabalhos Técnicos 9

10 ferramenta bastante apropriada para o gerenciamento dos recursos hídricos costeiros, que depois de validados permitem a simulação em diferentes condições e o conhecimento da hidrodinâmica necessário à otimização de redes de monitoramento. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos órgãos que colaboraram na realização deste trabalho. À Secretaria Municipal de Meio Ambiente (SEMMAM) e ao Fundo de Apoio à Ciência e Tecnologia (FACITEC), ambos da Prefeitura Municipal de Vitória, pela disponibilização de dados, à Companhia Espírito Santense de Saneamento (CESAN) pelo auxílio laboratorial na análise das amostras, e ao Grupo de Estudos e Ações em Recursos Hídricos (GEARH) pela colaboração na realização dos trabalhos de campo. Agradecem ainda a CAPES pela concessão de bolsa de estudos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA - American Public Health Association, AWWA - American Water Works Association, WPCF - Water Pollution Control Federation. Standard methods for the examination of water and wastewater. 19 ed. Washington, DC, BOWIE, G L. et.al. Rates, constants, and kinects formulations in surface water quality modelling. 2. ed. Athens, Geórgia, EPA/600/ , CANALE, R. P. Modeling fecal Coliform bactéria II. Model development and application. Water Research. v. 27, n. 4, pp , FALCONER, R. A., Mathematical modelling of jet-forced circulation in reservoirs and harbous. 1976, p. 237, Tese (Doutorado) Londres, Imperial College. 5. FALCONER, R. A., LIN, B. Three-dimensional layer-integrated modelling of estuarine flows with flooding and drying. Estuarine, Coastal end Shelf Science. v. 44, pp , MONTEIRO, A. J. et.al. Modelling transport and dispersiom of effluent outfall. Water Science and Technology. v. 25, n. 9, pp , OCCHIPINTI, A. G., Bacterial disappearance experiments in Brazilian coastal waters., [19--]. 8. ROBERTS, P. J. W., WILLIAMS, N. Modeling of oceans outfall discharges. Water Science and Technology. v. 25, n. 9, pp , ROCHA, A. B., Estudo da hidrodinâmica e do transporte de solutos na Baía do Espírito Santo através de modelagem computacional. 2000, p. 108, Dissertação (Mestrado), Vitória, UFES. 10 ABES Trabalhos Técnicos