V SIMULAÇÃO DO FERRO, DO ALUMÍNIO E DO FÓSFORO NO RIO IBICUÍ UTILIZANDO O MODELO QUAL2E

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1 V-00 - SIMULAÇÃO DO FERRO, DO ALUMÍNIO E DO FÓSFORO NO RIO IBICUÍ UTILIZANDO O MODELO QUALE Maria do Carmo Cauduro Gastaldini () Engenheira Civil pela Universidade Federal de Santa Maria. Mestre e Doutora em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). FOTOGRAFIA Professora Adjunta do Departamento de Hidráulica e Saneamento - Centro de Tecnologia - Universidade Federal de Santa Maria. NÃO Gilson Fernando Ferreira Seffrin DISPONÍVEL Engenheiro Civil. Aluno do Mestrado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental - Universidade Federal de Santa Maria. Márcio Ferreira Paz Aluno do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria - Bolsista de Iniciação Científica do PIBIC-CNPq. Endereço () : Rua Appel, /0 - Santa Maria - RS - CEP: Brasil - Tel: () mcarmo@safira.ct.ufsm.br RESUMO Modelos matemáticos têm sido utilizados como instrumento de gestão e análise da qualidade da água dos recursos hídricos. Destaca-se, entre os mais utilizados, o QUALE, o qual representa em maior profundidade os ciclos do oxigênio, nitrogênio e fósforo na água. A bacia hidrográfica, objeto deste estudo, é a do rio Ibicuí. Sua base econômica é a agropecuária. Os principais problemas de qualidade da água detectados foram as elevadas concentrações de Ferro, Alumínio e Fósforo. Utilizou-se o modelo QUALE como ferramenta para melhor estudar as causas destes elevados valores. Concluiu-se, da boa concordância entre os resultados calculados pelo modelo QUALE e observados que: As concentrações de ferro e alumínio são oriundas das características geológicas e pedológicas da bacia hidrográfica. A introdução das cargas potenciais de fósforo de origem difusa no modelo QUALE produziram uma boa previsão de suas concentrações pelo mesmo, mostrando que a origem destas concentrações elevadas são as práticas agrícolas vigentes na bacia, com utilização intensiva de adubos químicos. PALAVRAS-CHAVE: Qualidade da Água, Modelação Matemática, Simulação da Qualidade Água. INTRODUÇÃO Modelos de qualidade da água de rios vêm sendo utilizados desde o desenvolvimento do modelo clássico de OD e DBO, Streeter e Phelps, em 9. Posteriormente, vários outros modelos foram sendo desenvolvidos, aumentando o grau de complexidade e o número de variáveis modeladas, mas mantendo a mesma estrutura conceitual do modelo clássico de Streeter-Phelps. O modelo mais conhecido, dentro desta nova geração, é o modelo QUALE, desenvolvido pela Agência de Proteção Ambiental do Estados Unidos (USEPA), o qual representa em maior profundidade os ciclos do oxigênio, nitrogênio e fósforo na água. Dentre os trabalhos atuais que tratam sobre modelos de qualidade da água destacam-se Rauch (99), Shanahan (99) e Smolyódy (99). Rauch (99) abordou o estado da arte da modelação da qualidade da água, descrevendo de forma sucinta as principais abordagens para a modelagem hidrodinâmica, hidráulica, transporte e, em maiores detalhes os processos de conversão (qualidade da água). Apresenta programas de computador, disponíveis atualmente, e os parâmetros de qualidade da água modelados. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

2 Shanahan (99) aborda os problemas da arte, dedicando atenção especial ao modelo QUALE, pelo fato de ser o mais utilizado, sendo adequado para as legislações americanas e brasileiras (Resolução CONAMA Nº 0/) em que o controle da qualidade da água é baseado na permissão para lançamento de cargas de forma que seja mantida a qualidade desejada para o corpo receptor. Os principais problemas para o QUALE são: as limitações para representar a poluição por drenagem pluvial e a poluição difusa; a não representação de vazões transientes; a não consideração do balanço de massa entre a coluna d água e os sedimentos; e a imprecisão da DBO como variável de estado. Smolyódy (99) discute a direção que os modelos do futuro devem tomar, no sentido de sanar os problemas identificados nos atuais modelos, como o QUALE. Mostra a importância dos modelos de qualidade de água de rios interagirem com os modelos de qualidade das estações de tratamento de esgotos. A bacia hidrográfica em estudo é a do rio Ibicuí, principal afluente do rio Uruguai em território brasileiro. A base econômica da bacia é a agropecuária, destacando-se a criação de bovinos de corte, a ovinocultura e o cultivo de arroz irrigado. A qualidade da água da bacia do rio Ibicuí é afetada, principalmente, pelas atividades agropecuárias e pela disposição inadequada de esgotos domésticos e resíduos sólidos urbanos, dos municípios localizados na bacia, uma vez que a utilização da água para finalidades industriais é insignificante. Com relação a qualidade da água, os principais problemas detectados na bacia em estudo foram as elevadas concentrações de Ferro, Alumínio e Fósforo. Para melhor estudar as causas destes elevados valores, foi utilizado o modelo QUALE como ferramenta suporte para análise destes parâmetros. A BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO IBICUÍ A bacia hidrográfica objeto deste estudo é a do rio Ibicuí, principal afluente da margem esquerda do rio Uruguai em território brasileiro. Esta bacia situa-se entre as coordenadas geográficas 0 e de latitude sul e 0 e de longitude oeste, no Estado do Rio Grande do Sul, Brasil. (figura ). 0 9 Estação Fluviométrica Seção de coleta: amostra de qualidade da água -Seção de coleta: amostra de qualidade da água -Estação Fluviométrica Figura : Mapa da Bacia Hidrográfica do Rio Ibicuí com localização das seções de amostragem e análises de água e estações fluviométricas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

3 A base econômica da população residente é a agropecuária, destacando-se a criação de bovinos de corte, ovinocultura e o cultivo de arroz irrigado, que constitui o principal uso da água. O consumo industrial de água é insignificante, quando comparado com as demandas de água para irrigação. Nesta região estão localizados vinte e um municípios com área urbana na bacia, ou que a utilizam para captação de águas para abastecimento público e/ou para lançamento de esgotos e disposição de resíduos sólidos. O abastecimento doméstico de água é feito por captações superficiais e subterrâneas. Os municípios com área urbana na bacia são de pequeno e médio porte, e embora na maioria destes, os sistemas de coleta e tratamento de esgotos sanitários e de resíduos sólidos seja precário, não constituem as atividades de maior responsabilidade pela contaminação dos recursos hídricos. Sob o ponto de vista de contaminação orgânica, avaliada através da DBO, % da carga potencialmente poluidora dos recursos hídricos da área em estudo, é gerada por atividades de pecuária, % devida a disposição de resíduos sólidos e % a esgotos sanitários (CRH/RS (99)). A avaliação da qualidade da água, realizada através de duas campanhas de amostragem e determinações em pontos localizados no Rio Ibicuí e principais afluentes, indicados na figura, permitiu obter-se as conclusões apresentadas a seguir GASTALDINI (000). O conteúdo orgânico avaliado pelas concentrações de oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio e demanda química de oxigênio, mostrou-se baixo ficando, normalmente, dentro dos limites da Classe da Resolução N 0/ do CONAMA. Observou-se, concentrações de nitritos e nitratos inferiores aos padrões ambientais estabelecidos pela Resolução do CONAMA. No entanto, as concentrações de fósforo foram normalmente superiores aos limites restritivos desta Resolução, para águas das Classes, e. A explicação para estas concentrações elevadas de fósforo, são as práticas agrícolas vigentes na bacia, a utilização intensiva de adubos químicos, associadas a lixiviação desses compostos para os corpos d água. O conteúdo bacteriano sanitário, avaliado através dos coliformes totais e fecais mostrou grande variabilidade na qualidade da água, classificando-a de excelente a imprópria para balneabilidade. A explicação para a ocorrência de concentrações elevadas de coliformes, em alguns pontos, é o lançamento de esgotos domésticos, sem tratamento, nos corpos d água, e o lançamento inadequado de resíduos sólidos urbanos, de vários municípios localizados na bacia. As concentrações de cádmio, chumbo, cobre, cromo, manganês, mercúrio, níquel e zinco ficaram, normalmente, dentro dos limites da Classe do CONAMA. As concentrações de ferro e alumínio, no entanto, resultaram em todos os pontos, superiores aos padrões fixados para as Classes e. A causa aparente dessas elevadas concentrações observadas, são as características geológicas e pedológicas da bacia, que apresenta estes elementos de forma abundante das formações das rochas e dos solos da região. SISTEMA FLUVIAL UTILIZADO PARA SIMULAÇÃO Escolheu-se para a simulação o trecho do rio Ibicuí que vai de seu formador, rio Ibicuí-Mirim, seção de coleta de amostra de qualidade da água nº, até sua confluência com o rio Uruguai, seção nº. A figura mostra o trecho do rio utilizado para a simulação. O sistema fluvial utilizado para a simulação possui uma extensão de 0 km. Este foi dividido em trechos de acordo com a variabilidade ou não de suas características e com a disponibilidade de dados hidrológicos. Adotou-se elementos computacionais de km, totalizando 0 elementos computacionais no sistema. Como não se objetivava simular a qualidade da água dos afluentes, estes foram inseridos como efluentes, no sistema fluvial. Na figura são mostradas as seções de amostragem de qualidade da água e as estações fluviométricas, que sempre que possível foram coincidentes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

4 ( ) RIO TOROPI ( ) RIO SANTA MARIA ( ) ( 9 ) RIO JAGUARI ( 0 ) RIO ITU RIO IBIRAPUITÃ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) RIO IBIROCAÍ ( ) TRECHO TRECHO TRECHO TRECHO TRECHO TRECHO TRECHO Seção de coleta de amostra de qualidade da água - Seção de coleta de amostra de qualidade da água - Estação Fluviométrica Afluente Figura : Sistema Fluvial utilizado para a Simulação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

5 Os dados hidrológicos utilizados referem-se a estações fluviométricas monitoradas pela CPRM. Foram construídas as curvas chave e determinados os coeficientes hidráulicos necessários à calibração do modelo QUALE. As vazões mínimas, máximas e médias, na Bacia do Rio Ibicuí, são apresentadas na tabela. Tabela : Vazões mínima, média e máxima na Bacia do Rio Ibicuí (Paiva et al (999). Vazões Rio Ibicuí-Mirim Alto Rio Ibicuí Médio Rio Ibicuí Mínima (m /s) Específica(l/s/km ). 0,0 0,0 0, 0,0,0 0, Média (m /s) Específica(l/s/km ).,9, 9,0, Máxima (m /s) Específica(l/s/km ).,, 0 SIMULAÇÕES DO FERRO, DO ALUMÍNIO E DO FÓSFORO Foram utilizadas para as simulações os resultados das campanhas de amostragem e determinações da qualidade da água realizadas em janeiro de 99 e em setembro de 99. As vazões foram obtidas das curvas chave do dia correspondente a simulação. A tabela mostra os valores de vazão das estações fluviométricas Jacaqua e Passo Mariano Pinto, coincidentes com as seções de amostragem de qualidade da água número e, respectivamente, para os dias de janeiro e 0 de setembro obtidas das curvas chave. Tabela : Vazões de Estações Fluviométricas do Rio Ibicuí para os dias das simulações. Código e Nome das Estações Fluviométricas Vazão do dia 0/0/99 (m /s) Vazão do dia 0/09/99 (m /s) Jacaqua Passo Mariano Pinto 00 Comparando-se as vazões observadas nos dias da simulação, tabela, com as médias da bacia, tabela, observa-se que os dois eventos simulados superam, em vazões, os valores médios, alcançado o evento de janeiro valores próximos aos máximos registrados na bacia. A figura mostra as concentrações de ferro, observadas e calculadas pelo QUALE, na extensão do rio Ibicuí, para os dias 0/0/99 e 0/09/99. As concentrações de ferro tiveram uma tendência de aumento do seu valor na direção da foz do rio em estudo, que foi observada nos dois eventos simulados. Observa-se uma boa concordância entre os valores de ferro observados e os simulados pelo modelo. Como o ferro é considerado um mineral conservativo, pois o modelo não prevê reações de decaimento para esta substância, a boa concordância entre os resultados observados e calculados mostra que sua origem é devida somente as concentrações existentes na água, que são oriundas de processos erosivos ocorridos pela intensa precipitação no período e as características geológicas e pedológicas da região. Na simulação de 0 de setembro observou-se dois aumentos bruscos da concentração de ferro, que são devidas a entrada dos rios Santa Maria e Ibirapuitã, nos quais as concentrações de ferro são elevadas alcançando valores de e, mg/l, respectivamente, nesta data. A comparação entre os resultados observados e os calculados pelo modelo para as concentrações de alumínio, nos dois dias simulados, são apresentadas na figura. O comportamento do alumínio é semelhante ao do ferro. Observa-se um aumento de suas concentrações na direção da foz do rio Ibicuí. As descontinuidades, acréscimos ou diminuições bruscas nas concentrações apresentadas nas simulações, se devem a entrada de afluentes com concentrações superiores ou inferiores à do rio, respectivamente. Um exemplo é a queda da concentração de alumínio, que se verifica na simulação de janeiro, devido a entrada do rio Ibirapuitã, cuja concentração, nesta data, era de 0, mg/l. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

6 ,0,,0, Ferro (mg/l),0,,0 0, 0, Distância à foz do Rio Ibicuí (km) calculado janeiro observado janeiro limite do trecho afluente calculado setembro observado setembro Figura : Simulação do Ferro para o Rio Ibicuí.,0,0,0 Alumínio (mg/l),0,0,0,0 0, Distância à foz do Rio Ibicuí (km) calculado janeiro observado janeiro limite de trecho afluente calculado setembro observado setembro Figura : Simulação do Alumínio para o Rio Ibicuí. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

7 As elevadas concentrações de ferro e alumínio observadas e confirmadas nas simulações, são devidas às características geológicas e pedológicas da bacia hidrográfica, que apresenta abundância destes elementos na formação das rochas e solos da região. Observa-se uma tendência de aumento na presença destes elementos no mês de janeiro, devida às precipitações intensas ocorridas nas épocas de amostragem, carreando estes elementos dos solos para os recursos hídricos locais. A figura mostra os valores observados e calculados pelo modelo para as concentrações de fósforo para os dois dias simulados. Observa-se concentrações elevadas, em torno de 0, mg/l, em toda a extensão do rio para os dois eventos simulados. Em função da ocupação do solo foram obtidas as cargas potenciais de fósforo, levando-se em consideração as seguintes fontes de poluição: esgotos domésticos, efluentes líquidos industriais, drenagem pluvial urbana e rural, e resíduos sólidos urbanos, industriais e rurais. Nos meses de verão, período de irrigação do arroz, quando poderiam ser esperados maiores valores do fósforo devido ao carreamento de fertilizantes para os corpos d água, coincidiu, no ano de 99, com período de intensa precipitação pluviométrica, que proporcionou a diluição deste constituinte, mostrando concentrações semelhantes a setembro, período que antecede a safra e com menores precipitações. Um valor a típico foi observado no início do trecho simulado, na amostragem de janeiro/99. A explicação para estas concentrações elevadas de fósforo, são as práticas agrícolas vigentes na bacia, a utilização intensiva de adubos químicos, associadas a lixiviação desses compostos para os corpos d água.,0,,,, fósforo (mg/l),0 0, 0, 0, 0, 0, Distância à foz do Rio Ibicuí (km) calculado janeiro observado janeiro limite do trecho afluente calculado setembro observado setembro Figura : Simulação do Fósforo para o Rio Ibicuí. CONCLUSÕES Com base nas simulações realizadas nos períodos de janeiro e setembro de 99 pode-se concluir que: Os dois eventos simulados superaram, em vazões, aos valores médios na bacia, alcançado o evento de janeiro valores próximos aos máximos registrados na bacia. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental

8 Como o ferro e o alumínio são substâncias conservativas, a boa concordância entre os resultados observados e calculados mostra que sua origem é devida somente as concentrações existentes na água. Estas elevadas concentrações são oriundas das características geológicas e pedológicas da bacia hidrográfica, que apresenta abundância destes elementos na formação das rochas e solos da região. Observa-se uma tendência de aumento na presença destes elementos no mês de janeiro, devida às precipitações intensas ocorridas nas épocas de amostragem, carreando estes elementos dos solos para os recursos hídricos locais. Com relação as concentrações de fósforo observou-se valores elevados e em torno de 0,0 mg/l em toda a extensão do rio Ibicuí para os dois eventos simulados. Fornecidos os valores das cargas potenciais de fósforo calculadas em função do tipo e ocupação do solo, o modelo QUALE previu satisfatoriamente as concentrações de fósforo observadas. A causa das concentrações elevadas de fósforo, são as práticas agrícolas vigentes na bacia, a utilização intensiva de adubos químicos, associadas a lixiviação desses compostos para os corpos d água. AGRADECIMENTOS À FAPERGS pelo auxílio à pesquisa e bolsa de iniciação científica. concedida. Ao CNPq pela bolsa de pesquisa e iniciação científicas concedidas. À CPRM pelo fornecimento dos dados hidrológicos utilizados neste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. BROWN, L.P. & BARNWELL, T.º. The enhanced stream water quality models QUALE and QUALE-UNCAS: documentation and user s manual Athens: EPA. p., 9.. CHAPRA, Steven C. (99) Surface water-quality modeling. New York, McGrawn-Hill. pp., 99.. CRH/RS: CONSELHO DE RECURSOS HÍDRICOS Avaliação Quali-quantitativa das Disponibilidades e Demandas de Água na Bacia Hidrográfica do Rio Ibicuí - Relatório do Cenário Atual, 99.. CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente: Resolução n 0 0. Diário Oficial da União 0// (Brasil), 9.. GASTALDINI, M.C.C. Avaliação Qualitativa dos Recursos Hídricos da Bacia do Rio Ibicuí IX SIMPÓSIO LUSO-BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL Anais. Porto Seguro, PAIVA, J.B.D., PAIVA, E.M.C.D., CLARKE, R.T. Caracterização das Vazões do Rio Ibicuí (RS) - XIII CONGRESSO BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS Anais. Belo Horizonte, RAUCH, W. et al. River water quality modelling: I. State of the art. Wat. Sci. Tech., v., n., pp. -, 99.. SHANAHAN, P. River water quality modelling: II. Problems of the art. Wat. Sci. Tech., v., n., pp. -., SOMLYÓDY, L. River water quality modelling: III. Future of the art. Wat. Sci. Tech., v., n., pp. -0., 99. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental