IV-006 SISTEMA DE SUPORTE À DECISÃO PARA APOIO À OUTORGA DE LANÇAMENTOS DE EFLUENTES FONTES PONTUAIS E DIFUSAS

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1 IV-006 SISTEMA DE SUPORTE À DECISÃO PARA APOIO À OUTORGA DE LANÇAMENTOS DE EFLUENTES FONTES PONTUAIS E DIFUSAS Gisele Medice Roriz (1) Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo. Engenheira Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo. Coordenadora de Qualidade, Meio Ambiente, Saúde e Segurança do Trabalho da Companhia Portuária Vila Velha. Diretora de Meio Ambiente da Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental. Antônio Sérgio Ferreira Mendonça Pós-Doutorado no Departamento de Engenharia Ambiental da Cornell University (Nova York), 1998; Ph.D. em Engenharia de Recursos Hídricos na Colorado State University, 1987; M.Sc. em Hidrologia e Recursos Hídricos pela COPPE-UFRJ, 1977; Professor Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Departamento de Hidráulica e Saneamento da UFES,desde 1977;Coordenador do GEARH/UFES; Membro do Conselho Estadual de RH-ES. Edmilson Costa Teixeira Pós-Doutorado no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Loughborough University (Inglaterra), 2000; Ph.D. em Engenharia de Recursos Hídricos na Bradford University, Inglaterra, 1993; M.Sc. em Hidrologia e Recursos Hídricos pela EESC-USP, 19; Professor Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Departamento de Hidráulica e Saneamento da UFES,desde 1994; Coordenador do GEARH/UFES. Endereço (1) : Departamento de Hidráulica e Saneamento, CT, UFES. Av. Fernando Ferrari S/N, Goiabeiras Vitória-ES, CEP Fone : (27) / (27) groriz@cpvv.com.br RESUMO A gestão dos Recursos hídricos é uma atividade analítica voltada à formulação de princípios e diretrizes e à tomada de decisões com o objetivo final de promover o uso, controle e proteção dos recursos hídricos interiores superficiais, subterrâneos ou marítimos costeiros. Como ferramenta de apoio ao gerenciamento destes recursos, são utilizados: modelos e sistemas computacionais, sistemas de informação geográfica e bancos de dados. Através da automatização dos modelos QUAL2E e GWLF e de métodos computacionais buscou-se desenvolver ferramenta de apoio ao processo de tomada de decisão em recursos hídricos, envolvendo não só aspectos de qualidade de água, mas também aspectos de uso e ocupação da Bacia Hidrográfica de contribuição. Aplicações sistemáticas destes dois modelos são executadas e, a cada simulação dos parâmetros de qualidade de água, pelo modelo QUAL2E, e estimativa de quantificação de carga de fósforo total, pelo modelo GWLF, os resultados obtidos são comparados a padrões de qualidade de água e de concentração de fósforo para um nível trófico definido, respectivamente, até que haja consonância entre os valores. A aplicação do modelo QUAL2E permite a avaliação de captações ou lançamentos, seus respectivos impactos no curso d água e iteração com usos já existentes. Já a aplicação do modelo GWLF permite a estimativa da carga de fósforo gerada por diferentes condições de uso e ocupação do solo e definição da carga limite deste nutriente afluente a um lago ou reservatório a partir da definição de um nível trófico desejado. O sistema desenvolvido permite agilização e praticidade na análise para fins de planejamento no que concerne à localização e definição de valores limites para concentrações de poluente e vazões de efluentes. PALAVRAS-CHAVE: Recursos Hídricos, Qualidade da Água, Lançamento de Efluentes, Poluição Difusa, Outorga, Sistema de Suporte à Decisão. INTRODUÇÃO O desmatamento, o uso e ocupação desordenados e inadequados do solo, o lançamento de efluentes domésticos e industriais in natura ou que, embora tratados não apresentam os padrões requeridos de qualidade em cursos d água, e os usos indiscriminados de fertilizantes e pesticidas são algumas ações que comprometem os Recursos Hídricos em seus aspectos quantitativos e qualitativos. A contaminação fecal e por ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 substâncias tóxicas e seus impactos na saúde pública, a eutrofização e salinização são algumas das muitas conseqüências destas ações. A multiplicidade dos usos dos Recursos Hídricos agricultura, geração de energia, abastecimento público e industrial, equilíbrio ecológico, recreação, entre outros associada à característica de recurso natural renovável é também finito definem um cenário que reflete a complexidade do consórcio entre usos e preservação destes recursos. O gerenciamento dos recursos hídricos que era, até então, setorial - setor hidrelétrico, pesqueiro e de irrigação - vem agora assumindo caráter integrado, envolvendo todos os componentes dos múltiplos usos e no nível de ecossistemas. A gestão destes recursos passa a ser abrangente, considerando todos os processos ecológicos e ambientais, econômicos e sociais, no nível de Bacia Hidrográfica (Tundisi, 2000). A gestão e alocação de água, entre os diferentes usos, envolvem uma séria disputa de interesse, adversidades e pontos-de-vista políticos e sociais (Loucks et al., 1981). Os modelos computacionais aparecem como agentes facilitadores na identificação e avaliação de planos de gestão e seleção daquele que apresenta melhor desempenho quanto aos objetivos propostos. Integrando modelos matemáticos, sistemas de informação geográfica, bancos de dados e análise de sistemas, foram desenvolvidos os Sistemas de Suporte à Decisão. Estes sistemas permitem o envolvimento de maior número de variáveis e informações envolvidas na análise de alternativas de gestão. Neste contexto, este trabalho busca, exemplificar a aplicação de ferramenta de apoio ao gerenciamento dos Recursos Hídricos, envolvendo não só aspectos de qualidade de água, mas também aspectos de uso e ocupação da Bacia Hidrográfica de contribuição, com o objetivo de facilitar a avaliação de alternativas de alocação dos Recursos Hídricos, quanto aos seus usos e aspectos de qualidade e quantidade, e a avaliação da influência da poluição difusa na qualidade da água. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho, os processos de quantificação de poluição difusa e simulação da qualidade da água foram separados em módulos independentes. Desenvolveu-se um programa computacional como uma ferramenta para a gestão de Recursos hídricos, ao qual denominamos Sistema de Suporte à Decisão em Recursos Hídricos SISDERH. O programa SISDERH (Sistema de Suporte à Decisão em Recursos Hídricos), desenvolvido em linguagem Delphi 5, é constituído por dois módulos automatizados independentes, um utilizando o modelo QUAL2E e outro o modelo GWLF. Buscou-se estabelecer um ambiente amigável de utilização dos modelos constituintes do sistema e promover a automatização da aplicação destes modelos, através do desenvolvimento de um programa computacional em linguagem Delphi 5. MÓDULO QUAL2E A automatização da aplicação do modelo tornou possível a avaliação e quantificação, a partir de condições iniciais de qualidade e de disponibilidade hídrica para um determinado curso d água em estudo, dos impactos referentes a possíveis lançamentos ou captações, no que diz respeito a parâmetros específicos de qualidade de água. Simulações sucessivas de qualidade de água utilizando o QUAL2E são executadas onde, a cada simulação, as condições qualitativas obtidas pelo modelo são comparadas com padrões de qualidade estabelecidos para o corpo receptor. Os parâmetros de qualidade incluídos neste trabalho foram: OD, DBO, fósforo, amônia, nitrito e nitrato. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Na ocorrência de discordância, o SISDERH permite uma redução da vazão de lançamento ou captação ou ainda, na concentração de DBO do efluente a ser lançado antes da nova simulação. As reduções e novas simulações são executadas automaticamente. Através de um ambiente amigável e simplificado, o programa permite uma visualização imediata das vazões máximas que poderiam ser lançadas ou captadas e ainda, da concentração de DBO permissível ao efluente sem que ocorram violações de qualidade da água. O programa permite a variação da vazão de lançamento ou captação ou a redução na concentração de DBO do efluente a ser lançado. Para o desenvolvimento do módulo foi definido: O SISDERH somente executa simulações com o QUAL2E no curso principal definido, isto é, durante o preenchimento do arquivo de entrada define-se o curso principal e os afluentes são considerados como contribuições pontuais. O programa pode ser aplicado para avaliação de captações ou lançamentos. O usuário define o trecho a partir do qual o programa iniciará as verificações de parâmetros com padrões definidos. Para o cálculo de amônia livre a partir dos valores de amônia total gerados pelo QUAL2E, o SISDERH utiliza apenas um valor de ph para todo o curso d água em estudo. MÓDULO GWLF Diferente do módulo QUAL2E, onde apenas a automatização da aplicação do modelo é apresentada no SISDERH, o módulo permite a utilização deste modelo em ambiente WINDOWS. Telas específicas são apresentadas para preenchimento dos dados de entrada. Modificações na apresentação dos resultados foram realizadas, de forma a direcionar a aplicação para a determinação de cargas limites de fósforo. A aplicação do modelo GWLF permite o cálculo do aporte de nutrientes provenientes de uma determinada bacia hidrográfica ou sub-bacia a lagos ou reservatórios. Com o SISDERH é possível determinar a carga de fósforo afluente limite ao lago ou reservatório a partir de um estado trófico definido e concentração limite de fósforo a ser aplicada na fertilização de áreas agrícolas. A carga de fósforo total gerada pelo modelo GWLF é comparada com a carga limite obtida a partir da determinação de um estado trófico desejável e, no caso de discordância, são feitas interações sucessivas para reduzir a carga afluente gerada, através da redução da concentração de fósforo aplicada na fertilização. Para obtenção da carga limite de fósforo a partir de determinado estado trófico são aplicadas equações desenvolvidas para a modelagem matemática do fósforo visando à avaliação da eutrofização. ESTUDO DE CASO Para exemplificar a aplicação do programa desenvolvido utilizou-se uma sub-bacia do Rio Santa Maria da Vitória. A região em estudo localiza-se na Bacia Hidrográfica do Rio Santa Maria da Vitória, um dos principais mananciais de abastecimento da região da Grande Vitória no Estado do Espírito Santo. Com aproximadamente 616 km 2, é chamada de Alto Santa Maria da Vitória e compreende o trecho do Rio Santa Maria desde as nascentes até a Represa de Rio Bonito (Zamprogno, 1999) (figura 1). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Figura 1 Localização da Sub-bacia do Rio Santa Maria da Vitória. Na região do Alto Santa Maria localiza-se o município de Santa Maria de Jetibá. Este município, através do rio São Luiz, afluente ao rio Santa Maria da Vitória, apresenta-se como a maior fonte de carga orgânica para o rio Santa Maria, pois despeja seus efluentes domésticos, sem tratamento, neste afluente. A agropecuária é a atividade principal, destacando-se o café, banana e a olericultura, nas várzeas e baixas encostas. A atividade industrial é pouco significativa. O reservatório de Rio Bonito, juntamente com o de Suíça, é responsável pela produção de 10 e 30 MW de energia, respectivamente. A garantia da qualidade das águas do Rio Santa Maria da Vitória é de extrema importância, considerando-se a diversidade de usos, com destaque para o abastecimento público e irrigação de hortaliças. Deseja-se avaliar a viabilidade do lançamento em questão a partir das características de vazão e concentração de DBO definidos, tendo como critério de decisão a garantia do atendimento a padrões de qualidade da água. Estabeleceu-se com padrão de qualidade de água a ser atendido àquele definido no CONAMA 20/86 para Classe 2. Um esquema da condição simulada é apresentada na figura 2. A aplicação do modelo de quantificação de poluição difusa a uma Bacia ou Sub-bacia Hidrográfica requer uma maior disponibilidade de informações sobre a mesma, uma vez que a diversidade de dados de entrada para este tipo de modelo é maior que para o modelo QUAL2E. Como o objetivo do trabalho é apenas exemplificar a aplicação da ferramenta, utilizaram-se dados disponíveis nos arquivos de entrada disponibilizados como exemplo do GWLF com algumas modificações para a região da Bacia do Rio Santa Maria da Vitória, como a área total da bacia que passa a ser de 616 km 2, dados de precipitação e temperatura dos anos de 1996 e 1997 e horas diárias de insolação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Figura 2 Condição simulada com o módulo QUAL2E com lançamento em análise representado pela seta laranja. Alto Posmoser Q = 1,466 m 3 /s DBO = 2,0 mg/l NO 2 = 0,007 mg/l NO 3 = 0,083 mg/l P total = 0,020 mg/l NH 3 = 0,050 mg/l OD = 8,0 mg/l Santa Maria Q = 3,852 m 3 /s DBO = 2,0 mg/l NO 2 = 0,005 mg/l NO 3 = mg/l NH 3 = mg/l Captação Q = 0,250 3 / São Luiz Q = 0,359 m 3 /s DBO = 6,0 mg/l NO 2 = 0,058 mg/l NO 3 = 0,173 mg/l P total = 0,087 mg/l NH 3 = 0,003 mg/l OD = 2,0 mg/l ph rio = 6,5 Reservatório Rio Bonito t 1 t 2 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t 10 t 3 t = trecho t 1 t 10 = 4 km cada t 11 = 2 km t 4 24,0 km 12,0 km 6,0 km Efluente Q = 0,200 m 3 /s OD = 0 mg/l N org = 10 mg/l NH 3 = 10 mg/l P ttl = 015mg/l t 11 O valor do coeficiente de erosão utilizado na simulação foi de 0,25. O exemplo apresenta um cenário de aplicação de fertilizantes em três diferentes culturas café, milho e pastagem onde são aplicadas concentrações de fósforo dissolvido de 25 mg/l, 20 mg/l e 15 mg/l nos meses de janeiro a março. O nível trófico estabelecido para o lago receptor é mesotrófico e suas características de profundidade e tempo de detenção são 10 m e 0,25 ano, respectivamente. Para cálculo da carga limite de fósforo, em g/m 2.ano, foi utilizada a equação obtida por Salas e Martino (1991) abaixo apresentada. P λ = Z T w L ( P) (1 + 2 T w ) RESULTADOS O programa SISDERH (Sistema de Suporte à Decisão em Recursos Hídricos), desenvolvido em linguagem Delphi 5, é constituído por dois módulos automatizados independentes, um utilizando o modelo QUAL2E e outro o modelo GWLF. A figura 3 apresenta a tela inicial do programa. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 3 Tela inicial do SISDERH. MÓDULO QUAL2E Como o modelo de simulação de qualidade de água QUAL2E considera que a dispersão do lançamento iniciase no ponto imediatamente após o mesmo, as comparações foram iniciadas no mesmo trecho onde ocorreu o lançamento. Inicialmente aplicou-se o SISDERH com a opção de redução da vazão de lançamento. A figura 4 apresenta os resultados obtidos. A figura a seguir ilustra a influência do DBO no lançamento considerado sobre a qualidade da água do trecho do Rio Santa Maria da Vitória. A situação apresentada refere-se à primeira iteração, ou seja, os efeitos do lançamento de uma vazão de 0,200 m 3 /s. Os resultados indicam que ocorreu violação do limite de 5 mg/l preconizado pela legislação aplicada, a jusante do ponto de lançamento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 4 Resultado da simulação com o SISDERH para o parâmetro DBO para uma vazão de lançamento de 0,200 m 3 /s no trecho 7. Para garantir a concentração de DBO inferior a 5 mg/l conforme determina o padrão adotado na simulação, o programa executou 10 iterações (figura 5). Figura 5 Resultado da simulação com o SISDERH para o parâmetro DBO após 10 iterações. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 A cada iteração, a vazão de lançamento foi reduzida em 10% pelo programa e nova simulação foi executada com verificação do atendimento para os parâmetros de qualidade com relação aos padrões estabelecidos. Os resultados indicam que, vazão de lançamento em torno de 0,07 m 3 /s poderia ser aplicada ao curso d água sem comprometer as características de qualidade do mesmo, quando foi analisado o parâmetro DBO. MÓDULO GWLF Na simulação, considerou-se uma sub-bacia na qual fosse aplicada fertilização em três culturas: café, milho e pastagem e, que esta região situa-se a montante de um reservatório. Adotou-se o nível mesotrófico como nível trófico desejado para o reservatório e aplicou-se uma taxa de redução de 30% na concentração de fósforo dissolvido utilizado nas culturas adubadas. A figura 6 apresenta os resultados obtidos distribuindo-se a redução de forma proporcional entre todas as culturas adubadas. Figura 6 Resultado da simulação com o SISDERH aplicando-se a taxa de variação distribuída entre as culturas. A tabela gerada pelo sistema permite a visualização das concentrações aplicadas e da carga de fósforo gerada através da aplicação do modelo GWLF. Para a simulação aplicada, a redução da concentração de fósforo aplicada na fertilização das culturas foi distribuída proporcionalmente entre as culturas, isto é, 10 % em cada uma. Para que fosse garantido o atendimento da carga gerada pelo modelo com relação à carga de Fósforo total limite, a fim de que fosse mantido o nível trófico mesotrófico no reservatório, as concentrações de fósforo a serem aplicadas nas culturas de café, milho e pastagem obtidas pelo sistema foram de, aproximadamente, 16 mg/l, 13 mg/l e 10 mg/l, respectivamente. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado, concluiu-se que: O desenvolvimento de ferramenta de apoio ao gerenciamento de recursos hídricos através da automatização dos modelos QUAL2E e GWLF apresentou-se como uma alternativa interessante, versátil e eficiente que, através de um sistema computacional amigável e acessível, possibilita aos envolvidos no processo de tomada de decisão à utilização de um sistema automatizado para análise de alternativas de gestão. A aplicação dos referidos modelos no desenvolvimento deste trabalho deve-se, principalmente, às facilidades apresentadas pelos mesmos para acesso aos arquivos de entrada e saída e para sua utilização em simulações sistemáticas. Através de adequações é possível, a qualquer tempo, incluir ou substituir modelos constituintes do sistema. A aplicação sistemática de modelos computacionais de simulação de qualidade de água e quantificação de poluição difusa demonstrou apresentar um grande potencial para atuar no processo de tomada de decisão quanto à captação de água e fontes de poluição pontuais e difusas ao nível de planejamento. O módulo QUAL2E, que compõe o SISDERH, permite uma visualização imediata dos impactos advindos de lançamentos e captações sobre a qualidade da água, assim como a visualização das necessidades de redução da vazão de lançamento/captação ou da concentração de DBO do efluente em análise. A possibilidade de redução na vazão de lançamento e na concentração de DBO do efluente permite a inclusão de variáveis econômicas na avaliação de alternativas de gestão. O módulo GWLF facilita a estimativa de cargas de Fósforo total geradas de acordo com condições de solo, uso e ocupação do mesmo e a obtenção da carga máxima de Fósforo total afluente a um lago ou reservatório, de forma que seja mantido um nível trófico desejado. O módulo GWLF, através da aplicação de iterações sucessivas, agiliza a avaliação dos efeitos da redução na concentração de fósforo aplicada na fertilização de solos sobre a carga de fósforo total gerada na bacia em estudo. Partindo-se de uma situação inicial de uso e ocupação do solo, é possível avaliar quais seriam as concentrações de Fósforo dissolvido máximas a serem aplicadas na fertilização de solos para diferentes culturas, a fim de garantir o nível trófico do corpo receptor da poluição gerada na área em estudo. Os resultados dos módulos constituintes do SISDERH podem ser aplicados em avaliações integradas no gerenciamento de Bacias Hidrográficas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AZEVEDO L.G.T. Integration of Water Quantity and Quality in Multi-Sector River Basin Planning. Dissertation (Doctor of Philosophy). Degree of Doctor of Philosophy Colorado State University. Fort Collins, Colorado. USA AZEVEDO L.G.T., PORTO R.L.L., PORTO M. Sistema de Apoio à Decisão para o Gerenciamento Integrado de Quantidade e Qualidade da Água: Metodologia e Estudo de Caso. RBRH. Revista Brasileira de Recursos Hídricos. Vol 3. N1. Jan/Mar p BAUERMANN A. A. Apoio à Decisão em Recursos Hídricos: Integração de Planilha eletrônica com Modelo de Simulação de Qualidade de Água. Dissertação (Mestrado em Engenharia). Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Universidade Federal do Rio Grande do Sul BITTENCOURT G.A., et al. Desenvolvimento de Modelo Matemático de Qualidade da Água para a Implantação da Agência de Bacia do Rio das Velhas. Anais do 19 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária Ambiental. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental. ABES. 14 a 19 de setembro de Foz do Iguaçu. PR. 5. EUCLYDES P.H., FERREIRA A.P., RIBEIRO S.A.A.C., RUBERT V.A.O. Sistema de Apoio ao Gerenciamento de Recursos Hídricos: Metodologia e Estudo de Caso. Anais do XIII Simpósio ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 Brasileiro de Recursos Hídricos. Associação Brasileira de Recursos Hídricos. ABRH. 28 de novembro a 02 de dezembro de Belo Horizonte. M.G. 6. ZAMPROGNO D.P. Subsídios para a Definição de Locais Apropriados para a Implantação de Reservatórios de Regularização de Vazões: Refinamento e Aplicação de Procedimento Metodológico. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental). Curso de Mestrado em Engenharia Ambiental. Universidade Federal do Espírito Santo ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 10