INTEGRAÇÃO DOS MODELOS QUAL2K E WEAP PARA MODELAGEM DA QUALIDADE DA ÁGUA DOS RIOS DESCOBERTO E MELCHIOR

Transcrição

1 INTEGRAÇÃO DOS MODELOS QUAL2K E WEAP PARA MODELAGEM DA QUALIDADE DA ÁGUA DOS RIOS DESCOBERTO E MELCHIOR Tatiana Dumke da Silva 1 *; Conceição de Maria Albuquerque Alves 2 ;Oscar de Moraes Cordeiro Netto 3 Resumo O crescimento populacional acelerado e desordenado nos grandes centros urbanos tem causado uma pressão adicional nos sistemas de saneamento básico através do aumento da demanda por água para abastecimento e da carga orgânica a ser tratada nas Estações de Tratamento de Esgotos (ETE). Essa realidade apresenta-se no Distrito Federal e seu Entorno, caracterizado por grande concentração populacional e altas taxas de crescimento populacional. Para relacionar os adensamentos urbanos existentes nessa área com o estudo de qualidade da água dos rios Descoberto e Melchior, os modelos WEAP e o QUAL2K foram integrados para simulação da qualidade da água em cenários de crescimento populacional e eficiência de remoção dos lançamentos das ETEs. O objetivo foi avaliar o impacto dos adensamentos urbanos nos sistemas de tratamento de esgoto. O estudo apontou que as maiores concentrações dos parâmetros de qualidade da água foram no ponto de encontro entre o rio Melchior e o rio Descoberto, devido às altas concentrações dos lançamentos de poluentes pelas ETEs Melchior e Samambaia. O cenário de eficiência de remoção apresentou melhores resultados para a remoção da DBO do que o de crescimento populacional, pois nele supõe-se a alteração do tipo tratamento para a ETE Santo Antônio do Descoberto. Palavras-Chaves: Simulação da qualidade da água, WEAP, QUAL2K INTEGRATION OF WEAP AND QUAL2K MODELS FOR WATER QUALITY MODELING OF DESCOBERTO AND MELCHIOR RIVERS Abstract The fast and disordered population growth in big urban centers has caused added pressure on sanitation systems by increasing the demand of drinking water and organic load to be treated in wastewater treatment plants (WWTP). This reality can be seen in Distrito Federal and its surrounding areas, characterized by high concentration of people as well as high rates of population growth. In order to relate the urban concentrations in this area with studies of water quality in Descoberto and Melchior rivers, the WEAP and QUAL2K models have been integrated to simulate water quality in scenarios of population growth. This simulation also relates to the removal efficiency of the releases of WWTP to evaluate the impacts of urban concentration in wastewater treatments. This study indicated that the highest concentrations of water quality parameters occurred where the rivers Descoberto and Melchior met due to the high concentrations of the pollutant releases by WWTP Melchior and Samambaia. The removal efficiency scenario presented better results for BOD removal than those in the growth population scenario, because it is expected the type of treatment for WWTP Santo Antônio do Descoberto be changed. Keywords Water quality simulation, WEAP, QUAL2K 1 Aluna de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos da Universidade de Brasília, (PTARH/UNB) - tati.dumke@gmail.com 2 Professora do PTARH/UNB - cmaalves@gmail.com 3 Professor do PTARH/UNB - cordeiro@unb.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO A urbanização sem planejamento exerce pressão nos sistemas de infraestrutura de uma cidade, como abastecimento de água, esgotamento sanitário, drenagem, disposição final de resíduos sólidos, dentre outros. O crescimento populacional observado no eixo de adensamento sudoeste do Distrito Federal tem se intensificado devido aos programas de habitação popular financiados pelo Governo, onde muitos deles são construídos antes da implantação da infraestrutura necessária ou mesmo sem o cuidado necessário com o adicional de pressão a ser exercida sobre essas estruturas. Essa realidade tem sido verificada na Região Integrada de Desenvolvimento do Distrito Federal (RIDE DF e Entorno) que é composta além do Distrito Federal, por dezenove municípios de Goiás e três municípios de Minas Gerais. O presente trabalho é parte de um estudo de elaboração do Plano de Saneamento Básico para a RIDES-DF e Entorno, ora em desenvolvimento. Dentre as atividades antrópicas que têm impactos diretos na qualidade da água, a expansão urbana tem ocupado uma posição considerável, com consequências importantes para os recursos hídricos. Em virtude dessa expansão, é importante analisar a qualidade da água dos rios formadores do lago Corumbá, importante manancial da região, como forma prevista de futuro abastecimento de água potável para região. Modelos de qualidade da água vêm sendo amplamente aplicados como uma importante ferramenta para o gerenciamento de recursos hídricos por serem capazes de simular as variações de qualidade da água a partir da associação entre fatores hidrológicos, hidráulicos e de uso do solo (Bottino et al., 2010). Dentre os sistemas de suporte a decisão disponíveis para auxílio a tomada de decisão em recursos hídricos, tem-se o Water Evaluationand Planning (WEAP) que relaciona a modelagem da qualidade da água e o lançamento de poluentes, com crescimento populacional. Segundo SEI (2001), esse sistema permite simular o comportamento das fontes de poluição pontuais mensais e anuais ao longo do curso do rio provenientes das estações de tratamento de esgoto. Para o estudo de qualidade da água, o modelo QUAL2K (Chapra et al., 2008) foi integrado ao WEAP. O modelo baseia-se em equações de transporte de quantidade de movimento e massa para sistemas unidimensionais e de regime permanente, sendo utilizado para simular parâmetros de qualidade, como demanda bioquímica de oxigênio, oxigênio dissolvido, nitrogênio e fósforo, em rios e tributários. Já o WEAP é um sistema de suporte a análise de tomada de decisão. O presente trabalho destina-se a modelagem da qualidade da água em corpos receptores de estações de tratamento de esgoto que atendem áreas com elevado adensamento populacional do Distrito Federal e Entorno, frente ao cenário de crescimento populacional e de aumento da eficiência de remoção das concentrações dos poluentes das ETEs que atendem essas áreas. ÁREA DE ESTUDO O rio Descoberto e o Melchior estão localizados na bacia do rio Descoberto, sendo o rio Melchior afluente do rio Descoberto. Esses rios estão localizados entre o Distrito Federal e o estado de Goiás, assim como representado na Figura 1. Essa bacia possui área de drenagem total de 1097,90 km 2. O rio Descoberto foi modelado a partir do reservatório do Descoberto, que é responsável por 63% do abastecimento público do Distrito Federal (CAESB, 2013), até o Lago Corumbá. Essa extensão é de aproximadamente 58km. O rio Melchior é formado pelos córregos Taguatinga e Cortado. Como há pontos de monitoramento somente na cabeceira do córrego Taguatinga, sua modelagem foi feita a partir desse local, totalizando em um comprimento de cerca de 35km. O crescimento populacional é impulsionado por meio da implantação de conjuntos habitacionais do Governo do Distrito Federal (GDF), como é o caso de Samambaia, onde está XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 prevista a construção de mais de mil moradias para os próximos anos (SEGETH, 2014). Em relação ao entorno do Distrito Federal, a cidade de Santo Antônio do Descoberto, que pertence à RIDE DF e Entorno e situada á margem do rio Descoberto, possui uma população expressiva, apesar de ser flutuante. Figura 1- Área de estudo mostrando ao Norte o reservatório do Descoberto a montante do rio Descoberto que é afluente do lago Corumba IV, previsto para ser manancial de abastecimento de água na região. O rio Descoberto recebe o aporte de cargas do rio Melchior e o efluente tratado pela ETE Santo Antônio do Descoberto construída para o tratamento de esgoto cidade de mesmo nome.. De acordo com a empresa Geológica, responsável pelo Plano Diretor do município, apenas 46% da população tem acesso à coleta de esgoto. O rio Melchior recebe efluentes dos esgotos gerados pela ETE Melchior e ETE Samambaia. A primeira opera desde 2004 e foi projetada para coletar o esgoto gerado por habitantes das localidades de Taguatinga, Ceilândia e parte de Samambaia. A segunda foi projetada para tratar dos efluentes de habitantes da região administrativa de Samambaia e foi inaugurada em 1996 (CAESB, 2013). METODOLOGIA Descrição dos modelos WEAP - WaterEvaluationand Planning e QUAL2K O WEAP foi utilizado para fazer a modelagem da qualidade da água dos rios Descoberto e Melchior. Esse sistema de suporte à decisão representa o sistema hídrico a partir de uma rede de arcos e nós para simular a demanda de água em uma zona determinada pelo usuário, considerando suas prioridades e preferências de abastecimento e avaliando as demandas associadas ao recurso hídrico (SEI, 2001). O WEAP permite a definição e análise de cenários múltiplos, como cenários de crescimento populacional e de aumento de eficiência de tratamento nas ETE. Adicionalmente ajustam-se as rotinas de alguns elementos da modelagem hidrológica que são dados de entrada para a simulação de qualidade da água no WEAP com a ferramenta QUAL2K. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 (SEI, 2014). Após executar várias iterações com esse modelo, além de ler os valores hidrológicos, o WEAP obtém todos os dados simulados dos constituintes da qualidade da água. Dados de oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, nitrogênio amoniacal, nitrogênio orgânico, nitrato, fósforo total, vazão, velocidade, profundidade e largura dos rios foram disponibilizados pela Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal-CAESB. As concentrações de OD, DBO, nitrogênio e fósforo foram simuladas a partir de informações fornecidas do ano de O nitrogênio foi modelado nas formas de nitrogênio orgânico, amoniacal e nitrato.tendo em vista que o esgoto doméstico tratado representa a principal fonte de poluição por fósforo na região a partir de fontes pontuais (lançamentos das ETEs), a componente de fósforo particulado foi desconsiderado, sendo que o fósforo total está representado pela parcela inorgânica oriunda dos lançamentos pontuais. Como os lançamentos das ETE Melchior e ETE Samamambaia têm menos de 200 m de distância entre si, considerou-se apenas um lançamento pontual cujas concentrações foram determinadas pela equação da mistura. Para integrar os dois modelos, primeiramente executou-se o QUAL2K. Como o esse modelo trabalha com um rio principal e vários tributários ramificados, considerou-se o rio Descoberto como principal e os tributários foram o Melchior e o Engenho Lajes. Em relação à modelagem do rio Melchior, o Córrego Lajinha foi tratado como tributário. O modelo QUAL2K é segmentado, ou seja, cada trecho possui características hidráulicas constantes e pode ser ou não igualmente espaçado. Os carregamentos múltiplos e as saídas podem ser inseridos em todo o segmento em qualquer trecho (Park e Lee, 2002). Já a divisão de trechos no WEAP é feita a partir dos nós, que indicam entrada e saída de fluxo para os pontos de demanda. Baseado nisso, a segmentação no QUAL2K foi feita para que o comportamento dos nutrientes fosse semelhante nos dois modelos e os resultados coerentes. A Figura 2 apresenta o diagrama unifilar dos rios em estudo para a aplicação do modelo QUAL2K, com os trechos diferentemente espaçados em km. Figura 2- Diagrama unifilar no modelo QUAL2K para o rio Descoberto e rio Melchior XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Em relação às características hidráulicas dos rios, as altitudes das cabeceiras de cada rio considerado no presente trabalho, foram obtidas através das curvas de nível da bacia. Já o coeficiente de rugosidade de Manning, sendo o sistema considerado como canal natural, foi de 0,04 (Chow et al. 1988) para todos os rios. Os coeficientes e expoentes de descarga foram obtidos por meio de equações potenciais, usadas para descrever a velocidade média e a profundidade do fluxo para os elementos em cada trecho. Para obter os coeficientes dessas equações, foram traçadas linhas de tendências entre dados de vazão e profundidade, e vazão e velocidade nos anos de 2006 a Segundo o manual do QUAL2K (Chapra et al., 2008), são sugeridas oito fórmulas como opções para o cálculo do coeficiente de reaeração, ka. Esse estudo utilizou as fórmulas de O'Connor e Dobbins (1958), Churchill et al. (1962) e Owens et al. (1964),devido aos valores de profundidade e velocidade característicos dos rios a serem simulados. Dessa forma, foi calculado o coeficiente de decomposição da DBO em função da profundidade, como proposto por Thomas e Mueller (1987). Como não foram coletados dados em campo, o programa foi calibrado por meio da verificação da compatibilidade de todos os coeficientes com as faixas de aplicabilidade propostas pelos autores das equações. Com esse intuito, também foi feita a comparação entre os valores dos expoentes e coeficientes de descarga com os valores propostos por Barnweel et al. (1989), que são fornecidos pelo manual do programa (Chapra et al., 2008). Após executar a planilha do QUAL2K, o sistema hídrico foi representado no WEAP em forma de rede para os rios, e com nós representando pontos de demanda, reservatórios e ETEs. Para prosseguir com a simulação, dados climatológicos, de população, consumo de água, qualidade da água dos pontos de demanda e dos trechos dos rios foram inseridos nesse modelo. Os principais dados das ETEs foram: capacidade diária, consumo, taxa de remoção dos nutrientes e concentração dos contaminantes. Os dados observados de qualidade da água de todos os meses de 2009 foram inseridos em cada trecho no WEAP de acordo com as informações fornecidas pela CAESB dos postos de monitoramento da área de estudo. Não foi necessário inserir dados de vazão, geometria, como profundidade e largura, pois essa leitura é feita por meio dos dados já inseridos na planilha do QUAL2K, como explicado anteriormente. O arquivo gerado pela modelagem no QUAL2K foi anexado no WEAP. Como esse modelo possui mais parâmetros e opções, associou-se cada constituinte no WEAP ao constituinte modelado no QUAL2K, sendo o mesmo foi feito para os rios. Segundo SEI (2014), as principais vantagens de integrar esses dois modelos são a dinamização do QUAL2K para uma escala de tempo mensal e sua capacidade de modificar a cinética de degradação dos poluentes por trecho no rio. No WEAP utilizaram-se os cenários: atual (2009), de Referência ( ) e dois cenários futuros ( ). O cenário de referência é definido a partir das características do cenário atual com evoluções do sistema atual sem nenhuma intervenção e os cenários futuros são estabelecidos pelos usuários. Tendo em vista a problemática de ocupação urbana no Distrito Federal pelos programas habitacionais, o cenário futuro (cenário de crescimento populacional) foi simulado com as taxas de crescimento populacional de 2,3%, 4.09%, 5,5% e 2,3% para Samambaia, Taguatinga, Ceilândia, e Santo Antônio do Descoberto, respectivamente, segundo CODEPLAN (2013). No entanto foi calculada e somada à taxa de crescimento populacional, o percentual que representa as moradias previstas para serem construídas em Samambaia para os próximos anos planejadas pelo GDF. O segundo cenário (cenário de eficiência) foi simulado alterando as eficiências de remoção da ETE Melchior e Samambaia fornecidas pela CAESB (2013), o tipo de sistema operacional da ETE Santo Antônio do Descoberto e sua capacidade diária, mantendo as taxas de crescimento XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 populacional. Os resultados obtidos apresentados nesse artigo para os cenários foram dos meses de janeiro e julho, por indicarem o período de chuvas e estiagem, respectivamente. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 3 apresenta as concentrações da DBO ao longo do curso do rio Descoberto para o cenário de referência. Pode-se verificar o aumento das concentrações de DBO logo após o encontro com o tributário Melchior ("Rio Melchior Inflow") altamente carregado de poluentes. No ponto de lançamento "ETE Descoberto Return" a concentração diminui, o que pode ser provocado pela alta frequência de eventos chuvosos na região no mês de janeiro, ajudando na diluição da concentração de DBO. A concentração que chega no Lago Corumbá por meio do rio Descoberto é de aproximadamente 8,7 mg/l, atendendo a Classe 3 da Resolução CONAMA 357/05. Figura 3 - Concentração da DBO ao longo do rio Descoberto A Figura 4 apresenta a simulação do comportamento da concentração da DBO no rio Descoberto para os cenários de crescimento populacional e eficiência de remoção para o mês de janeiro do ano de O resultado mostra a importância da alteração do tipo de tratamento e das eficiências para a ETE Santo Antônio do Descoberto. Outra informação dessa análise, é a importância do aumento da eficiência de remoção da DBO para a ETE Melchior e Samambaia para atender as taxas de crescimento populacional. Esse cenário indica que se essa alteração ocorrer, o rio Descoberto passará a atender requisitos de Classe 2 em toda sua extensão. O processo de nitrificação contribui para a remoção de nitrogênio por meio da transformação da amônia (NH4 + ) em compostos nitrogenados oxidados, como o nitrito (NO - 2) e nitrato (NO - 3). Esse processo é estritamente aeróbio. A Figura 5 apresenta a simulação do comportamento do nitrogênio em suas diferentes formas e os principais fenômenos para a conversão da matéria orgânica nitrogenada, segundo o cenário de eficiência no mês de julho. A concentração do nitrogênio aumenta no nó "Rio Melchior Inflow" devido ao aporte desse nutriente no rio Melchior,o que remete a conclusão de que a maior parte de carga recebida nesse corpo hídrico ainda são na forma de esgotos domésticos.. Verifica-se que ocorre o consumo de oxigênio para a nitrificação, ou seja, a conversão do nitrogênio amoniacal em nitrato que tem um aumento razoável a partir desse ponto devido a carga de amônia estar em depuração. Devido ao período ser de estiagem, os valores encontrados são maiores do que o mês de janeiro, dada à diluição das concentrações. Em relação ao enquadramento do rio Descoberto pela Resolução CONAMA 357/2005, os valores de nitrato e nitrogênio amoniacal estão de acordo com a Classe 3. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Figura 4 - Comportamento da DBO para os cenários de crescimento populacional e eficiência Figura 5 - Comportamento do nitrogênio em suas conversões O fósforo também é utilizado para o controle da qualidade da água e tem as atividades humanas como uma das principais fontes de contribuição da concentração nas águas naturais. Os valores do fósforo inorgânico para os cenários de referência e eficiência para o mês de janeiro são descritos na Tabela 1. Pode-se notar que para a cabeceira do rio Melchior o valor da concentração aumenta para o cenário de eficiência. É importante lembrar que umas das principais fontes de fósforo é a drenagem pluvial de áreas urbanas, podendo ser um dos motivos do aumento dessa concentração na cabeceira do rio localizado em uma zona de urbanização. Como o fósforo está presente nos esgotos domésticos, observa-se um aumento da concentração para os resultados do nó "ETE MelcSamReturn" de ambos os cenários. Tomando como base na comparação dos cenários, há uma efetiva diminuição da concentração no ponto de lançamento "ETE MelcSamReturn ", devido ao aumento da eficiência de remoção para 31% no cenário de eficiência. O maior valor encontrado para esse cenário é de 0,0613 e atende a Classe 3, segundo os padrões de qualidade da Resolução CONAMA 357/2005 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 Tabela 1 - Concentrações do fósforo inorgânico ao longo do rio Melchior para o mês de janeiro CENÁRIO DE REFERÊNCIA Headflow ETE MelcSamReturn Reach Lajinha Inflow Reach P inorganico (mg/l) CENÁRIO DE EFICIÊNCIA Headflow ETE MelcSamReturn Reach Lajinha Inflow Reach P inorganico (mg/l) CONCLUSÕES O presente trabalho integrou duas ferramentas para fazer a modelagem da qualidade da água dos principais rios da bacia do Descoberto. Durante a integração o WEAP altera alguns valores, pois os cálculos de qualidade da água internos ao sistema utilizam diferentes pressupostos e aproximações do QUAL2K. Algumas falhas observadas nos resultados do trabalho estão associadas à falta de uma calibração mais completa, utilizando um programa de calibração independente do QUAL2K. O estudo feito aponta que o rio Descoberto recebe grandes concentrações de DBO e nitrogênio do rio Melchior devido às fontes pontuais das ETEs Melchior e Samambaia. Isso é possível observar nos nós de encontro desses dois rios simulados pelo WEAP. Conclui-se que a concentração dos nutrientes do Distrito Federal entregue para o estado de Goiás é sempre maior a jusante do ponto de encontro entre esses rios. O presente trabalho mostrou a importância da alteração da eficiência de remoção para o tratamento dos efluentes lançados no rio Descoberto e Melchior, visto que o crescimento populacional é uma realidade presente na área de estudo e torna-se relevante avaliar os impactos dessa nova ocupação sobre a qualidade da água nos rios afluentes de mananciais na região. REFRÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARNWELL, T.O., BROWN, L.C., and MARECK, W. (1989). Application of Expert Systems Technology in Water Quality Modeling. Water Sci. Tech. 21(8-9), pp: CHAPRA, S.C., PELLETIER, G.J. and TAO, H. QUAL2K (2008): A modeling framework for simulating river and stream water quality. Version 2.07: Documentation and Users Manual. Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University, Medford, A CHOW, V.T., MAIDMENT, D.R., and MAYS, L.W. (1988). Applied Hydrology. New York, McGraw- Hill, 592 pp. Companhia de Sanemanto Ambiental do Distrito Federal - CAESB (2013). Sinopse do sistema de esgotamento sanitário do Distrito Federal- SIESG. 26ª Ed. Companhia de Planejamento do Distrito Federal -CODEPLAN (2013) - Pesquisa Distrital por Amostra de Domicilios PARK, S.S.; LEE, Y.S. (2002) A water quality modeling study of the Nakdong River, Korea. Ecological Modeling. 152;pp STOCKHOLM ENVIRONMENT INSTITUTE-SEI (2001). Water Evaluation and Planning WEAP: User Guide for WEAP21.Boston USA. STOCKHOLM ENVIRONMENT INSTITUTE-SEI (2014). Implementación del modelo WEAP para el estudio de lacalidad del agua en la cuenca del río La Vieja. Disponível em: Secretaria de Estado de Gestão do Território e Habitação - SEGETH (2014) - Disponível em: XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8