DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE REAERAÇÃO EM CORPO D ÁGUA PELO MÉTODO DELTA APROXIMADO

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1 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE REAERAÇÃO EM CORPO D ÁGUA PELO MÉTODO DELTA APROXIMADO Cristiane Graepin 1 *; Adriano Kappes 2 ; Glaucia Pivetta 3 ; Mateus Henrique Schmidt 4 ; Maria do Carmo Cauduro Gastaldini 5 Resumo O coeficiente de reaeração (K 2 ) é utilizado na quantificação do processo de reaeração superficial, e empregado em modelos de qualidade da água. Existem diferentes métodos citados na literatura para determinação do K 2. O objetivo deste trabalho foi determinar experimentalmente o K 2, para uma seção de monitoramento do rio Vacacaí Mirim, por meio do Método Delta Aproximado proposto por McBride e Chapra. Para isso monitorou-se o oxigênio dissolvido durante o fotoperíodo em dois dias distintos. O Método Delta Aproximado mostrou-se eficiente para a determinação do K 2, uma vez que as curvas de variação do oxigênio dissolvido foram ascendentes com pico perto do meio dia solar. O fotoperíodo do dia 12/01/2015 apresentou K 2 igual a 14,56, e para o dia 04/02/2015 o K 2 foi de 39,20. Palavras-chave Qualidade da água; oxigênio dissolvido; reaeração superficial. DETERMINATION OF COEFFICIENT REAERATION CURRENT WATER BY METHOD DELTA APPROXIMATE Abstract The coefficient of reaeration (K 2 ) is heavily used in the measurement of surface reaeration process, and is frequently used in water quality models. The objective was to experimentally determine the K 2, to a monitoring section of the Vacacaí Mirim river, by the Aproximate Delta Method proposed by McBride and Chapra. For this is monitored dissolved oxygen during the photoperiod on two different days. The Aproximate Delta Method was efficient for the determination of K 2, where dissolved oxygen variation curves showed the upward trend with a peak near the solar noon. The photoperiod of the day 12/01/2015 presented K 2 equal to 14.56, and for the day 02/04/2015 the K 2 was Keywords Water quality; dissolved oxygen; surface reaeration. 1 Mestranda em Engenharia Ambiental/UFSM - crisgraepin@hotmail.com 2 Acadêmico do curso de Engenharia Sanitária e Ambiental/UFSM - adrianokappes@hotmail.com 3 Acadêmica do curso de Engenharia Sanitária e Ambiental/UFSM - glaucia.pivetta@gmail.com 4 Acadêmico do curso de Engenharia Sanitária e Ambiental/UFSM - mateusschmidt260692@gmail.com 5 Doutora em Engenharia Civil. Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental/UFSM - mcarmocg@gmail.com XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO A água é um componente essencial à vida, sendo foco principal para várias propostas de uso, estudos e base para a caracterização e proteção dos ecossistemas. Além de servir a diversos usos, a água é indicador de qualidade do uso e ocupação do solo pelo homem, entretanto, a degradação dos recursos naturais, principalmente solo e água, vêm crescendo de forma alarmante, atingindo níveis críticos que refletem na deterioração do meio ambiente (JUNIOR et al., 2007). A qualidade da água é resultante de fenômenos naturais e antrópicos, sendo a mesma em função das condições naturais e do uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica. A expansão urbana vem ocasionando sérios problemas de qualidade e quantidade da água. Em bacias hidrográficas onde a maior parte da população ocupa áreas urbanas, com pouca disponibilidade de rede coletora e tratamento de esgotos, e ausência de conscientização da população, ocorre um aumento da carga orgânica nos corpos hídricos, devido ao descarte de esgoto sem tratamento prévio nos rios. A oxidação da matéria orgânica representa o principal fator de consumo de oxigênio no curso d água. Tal consumo ocorre devido à respiração dos microrganismos decompositores, principalmente as bactérias heterotróficas aeróbicas. Assim, os teores de oxigênio dissolvido são, normalmente, inferiores aos de saturação, havendo um déficit de oxigênio. A determinação do coeficiente de reaeração (K 2 ) pode ser feita utilizando-se modelos de natureza teórica, empírica e outros métodos desenvolvidos para tal finalidade. Os modelos teóricos podem apresentar inconvenientes, devido necessitar de parâmetros dificilmente relacionados às características físicas e hidráulicas do curso hídrico. Já os modelos empíricos e semiempíricos atendem apenas ao local onde foram originados. Assim, para haver precisão em um estudo torna-se necessária a determinação do K 2 para cada curso hídrico, devido à sua singularidade das características físicas e hidráulicas (PINHEIRO et al., 2012). Di Toro (1981) desenvolveu um procedimento gráfico simples orientado para estimar a taxa de fotossíntese baseado na variação da taxa de oxigênio dissolvido, o Método Delta. Posteriormente, Mc Bride e Chapra (2005) propuseram um desenvolvimento detalhado do Método Delta, simplificando-o e estendendo-o para estimar a reaeração, o Método Delta Aproximado. O Método Delta Aproximado é baseado na estimativa da taxa de reaeração, produção primária e taxa de respiração, por meio de medidas diurnas do oxigênio dissolvido, sendo utilizado três características da curva para se obter os resultados. Para estimar a velocidade de reaeração utiliza-se o tempo de déficit mínimo de oxigênio (relativo ao meio dia solar). Assim, a variação do déficit é usada para prever a produção fotossintética. Finalmente, o déficit médio pode ser utilizado juntamente com as velocidades de reaeração e produção para determinar a respiração, conforme a figura 1. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Oxigênio Dissolvido (mg/l) Déficit mg/l/d Produção primária Respiração Dois termos da série Fourier Meio dia solar t (h) D max Meio dia solar D min Tempo do déficit mínimo t (h) Saturação t (h) Figura 1 - (a) Produção primária vegetal e respiração; (b) Deficit de oxigênio dissolvido; (c) Concentração de oxigênio dissolvido. Fonte: Chapra e Di Toro, O objetivo deste trabalho é determinar o K 2 por meio do Método Delta Aproximado em uma bacia hidrográfica mista (rural e urbana). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 MATERIAL E MÉTODOS Área de estudo A pesquisa foi realizada na bacia hidrográfica do rio Vacacaí Mirim, localizada na região central do Estado do Rio Grande do Sul, conforme a figura 2, situada entre as coordenadas geográficas a de longitude Oeste e a de latitude Sul, com área total de 1120 Km². Selecionou-se a estação fluviométrica Menino Deus IV para a determinação do K 2. Figura 2 - Localização da bacia hidrográfica Vacacaí Mirim e seção de monitoramento Determinação do K 2 Utilizou-se o Método Delta Aproximado proposto por Mc Bride e Chapra (2005) para determinar o K 2. Esse método evita a necessidade de solução numérica dos gráficos propostos originalmente por Chapra e Di Toro (1991), no Método Delta. Para o desenvolvimento do método, é necessário fazer a avaliação da concentração de oxigênio dissolvido no curso d água, durante o fotoperíodo, ou seja, desde o nascer até o pôr do sol. A concentração de oxigênio dissolvido no curso d água foi monitorada a cada 15 minutos, durante o fotoperíodo, utilizando-se o oxímetro YSI Model 58. A duração do fotoperíodo e o horário do meio dia solar, necessários para calcular o K 2 foram obtidos na estação meteorológica pertencente ao 8 Distrito de Meteorologia (8 DISME) do XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Oxigênio dissolvido (mg/l) Ministério da Agricultura (Instituto Nacional de Meteorologia - INMET), localizada na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Com os valores das concentrações de oxigênio dissolvido obtidos utilizando-se oxímetro marca YSI Model 58 e com os dados da estação meteorológica, calculou-se o K 2, através da equação 1: Sendo: η =( η = fator de correção do fotoperíodo (adimensional); f = duração do fotoperíodo (horas); = t* - f/2 = tempo entre o mínimo déficit de oxigênio e o meio-dia solar. (1) RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas figuras 3 e 4 são apresentadas as curvas resultantes do monitoramento do oxigênio dissolvido durante o fotoperíodo para duas diferentes datas na estação Menino Deus IV. Verificou-se que o oxigênio dissolvido apresentou o comportamento esperado pela teoria do Método Delta. Nas primeiras horas do dia o valor de oxigênio dissolvido é menor, pois nesse período a incidência solar é menor e, consequentemente, a produção aquática de oxigênio é menor. Com o aumento a incidência solar, a produção de oxigênio pelas plantas aumenta até o pico solar, próximo do meio dia, onde a curva atinge o seu pico. A partir daí, o valor de oxigênio dissolvido tende a decair, obtendo-se uma curva descendente. 7,8 7,7 7,6 7,5 7,4 7,3 7,2 7,1 07:12 08:24 09:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 19:12 Hora Figura 3 Monitoramento do oxigênio dissolvido durante o fotoperíodo na estação fluviométrica Menino Deus IV (12/01/2015) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Oxigênio dissolvido (mg/l) 7,6 7,4 7,2 7 6,8 6,6 6,4 07:12 08:24 09:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 19:12 Hora Figura 4 Monitoramento do oxigênio dissolvido durante o fotoperíodo na estação fluviométrica Menino Deus IV (04/02/2015) Pode-se observar que o K 2 diminui com o aumento do oxigênio dissolvido, e aumenta com o decréscimo do oxigênio dissolvido. Tal fato ocorre, devido a haver uma necessidade de produção de oxigênio dissolvido, o qual foi consumido na oxidação da matéria orgânica presente no curso d água, oriunda de despejos de esgoto doméstico sem tratamento prévio. Observa-se ainda, na Tabela 1, que os valores do K 2 variaram de forma significativa comparando-se as duas datas avaliadas. Tal variação ocorre devido às características hidrodinâmicas, como a vazão, velocidade e declividade, não serem constantes no curso d água, fazendo com que haja variação no valor do K 2 para cada data avaliada. Observa-se que o K 2 aumenta com o decréscimo da vazão. Ávila (2014) em um estudo sobre o K 2 relatou que as variações de vazão interferem nos valores finais de oxigênio dissolvido, devido às vazões maiores gerarem uma maior capacidade de autodepuração no rio, refletindo em variações menores de oxigênio dissolvido ao longo do dia. Giorgetti e Schulz (1986) realizaram um estudo sobre o K 2 em cursos d água, por meio de uma sonda constituída por material sólido e solúvel em água, que quantifica a turbulência junto á superfície. Em seus resultados observaram que o K 2 variou em função da vazão, apresentando uma boa correlação. Na Tabela 1 são apresentados os valores do K 2 e as características hidrodinâmicas obtidos para a seção monitorada. Tabela 1 Características hidrodinâmicas e K 2 na estação fluviométrica Menino Deus IV Data Oxigênio dissolvido K 2 (d -1 Velocidade Profundidade ) média (m/s) média(m) médio (mg/l) Vazão (m 3 /s) 12/01/2015 7,56 14,56 0,32 0,19 0,61 04/02/2015 7,23 39,20 0,34 0,14 0,30 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 CONCLUSÕES As curvas de variação do oxigênio dissolvido monitorado durante os fotoperíodos apresentaram o resultado esperado pelo Método Delta Aproximado, uma curva ascendente com pico (menor déficit de oxigênio dissolvido) próximo do meio dia solar, o que permite a aplicação do método para estimar o K 2. Para o cálculo do K 2, o Método Delta Aproximado demonstrou ser uma técnica de fácil obtenção de dados a campo e de cálculos, mostrando-se bastante eficiente para determinação deste coeficiente. O fotoperíodo do dia 12/01/2015 apresentou K 2 igual a 14,56, e para o dia 04/02/2015 o K 2 foi de 39,20. O resultado do K 2 foi influenciado pela variação da vazão. A seção do rio Vacacaí Mirim onde foi realizado o monitoramento do oxigênio dissolvido recebe contribuições de descargas de esgoto, devido à presença de residências próximas ao leito do rio. Com isso, ocorre oscilação na curva de oxigênio dissolvido. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES e ao CNPq pelas bolsas de mestrado, de iniciação científica concedidas aos autores do trabalho; ao Técnico Alcides Sartori, pelo auxílio nos trabalhos de campo. REFERÊNCIAS ÁVILA, L. C. (2014). Modelagem da qualidade da água utilizando coeficientes bibliográficos e experimentais aplicação ao Rio Vacacaí-Mirim. 99 f. Dissertação de mestrado. (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 99 pp. CHAPRA, S. C., DI TORO, D. M. (1991). Delta Method for estimating primary production, respiration, and reaeration in streams. Journal of Environmental Engineering, Vol. 117, n.5. GIORGETTI, M. F.; SCHULZ, H. D. (1986). Contribuição para a determinação do coeficiente de reoxigenação superficial em corpos d água. In: II Congresso Latino Americano de transferência de calor e matéria, 1986, São Paulo-SP. Anais... Vol. 3, São Paulo. pp JUNIOR, J. A. J., MELLO, C. R., SILVA, A. M., PINTO, D. B. F. (2007). Comportamento Hidrológico de duas nascentes associadas ao uso do solo numa Sub-bacia hidrográfica de Cabeceira. I Simpósio de Recursos Hídricos do Norte e Centro-Oeste. MCBRIDE, G. B.; CHAPRA, S. C. (2005). Rapid Calculation of Oxygen in Streams: Approximate Delta Method. Journal of Environmental Engineering (ASCE), pp XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 PINHEIRO, A.; FAHT, G.; SILVA, M. R. da. (2012). Determinação do coeficiente de reaeração em rios através do uso de traçador gasoso GLP. Engenharia Sanitária e Ambiental. Vol. 17, nº.1, Rio de Janeiro, pp XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8