METODOLOGIA PARA CLASSIFICAR E VISUALIZAR SIMULAÇÕES DE SÉRIES TEMPORAIS EM MAPAS DE CONCENTRAÇÃO

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1 METODOLOGIA PARA LASSIFIAR E VISUALIZAR SIMULAÇÕES DE SÉRIES TEMPORAIS EM MAPAS DE ONENTRAÇÃO Mayra Matsume Ishikawa 1 * & Tobias Bleninger 2 Resumo O aumento da população costeira ao longo dos anos traz consigo o aumento de resíduos e a necessidade da ampliação e aperfeiçoamento dos sistemas de saneamento. Uma opção para essas regiões é a disposição oceânica, processo que consiste no recolhimento do efluente para uma estação de tratamento e seu envio ao emissário submarino, uma tubulação que irá desembocar no oceano como fonte pontual ou através de difusores. Para atender a crescente demanda com qualidade é preciso um aprofundamento nos estudos quanto à descrição dos processos de mistura e a caracterização dos campos próximo e afastado. Tais regiões são regidas de maneira distinta, fazendo com que a modelagem de todo sistema seja muito complexa. Este estudo visa a préavaliação dos locais de implantação de acordo com a eficiência do sistema no campo próximo a partir dos resultados de simulações no ormix (modelo permanente) e pós processados no MatLab. omo resultado foram adquiridos gráficos animados que simulam a variação da pluma ao longo da série temporal e avaliações quanto a eficiência do emissário que podem ser estendidas para diversas substâncias. Palavras-have Emissários submarinos, ormix, Mapas de concentração. METHODOLOGY TO LASSIFY AND VISUALIZE TIME-SERIES SIMULATIONS IN ONENTRATION MAPS Abstract The increase of coastal population over the years carries the increase of waste and the necessity of sanitation systems improvement and extension. One option for these regions is the ocean disposal, that consists in gathering the effluent to a treatment station and its dispatch to a submarine outfall, a pipe that will discharge into the ocean as single port or multiport diffuser. To comply the growing demand with quality it is necessary to improve the studies concerning the mixing processes and the characterization of near and far field. These regions are so different that its modeling can t be made with only one model, it is necessary its gathering. The present study aim for the pre-evaluation of the implementation region according to system efficiency at the near field, from ormix simulations results (permanent model) and its post-processing at MatLab. The results are animations that simulate the plume variation according the time series and evaluations concerning submarine outfalls efficiency that can be extended to several substances. Keywords Submarine outfalls, ormix, oncentration maps INTRODUÇÃO No Brasil 26,6% da população vive em cidades costeiras (IBGE 2011), nos Estados Unidos esse valor vai para 39% (NOAA 2011), por possuírem dimensões continentais isso indica a presença de cidades costeiras altamente populosas. Um estudo da UNEP (2008) mostra que o 1 Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental, Universidade Federal do Paraná, uritiba - mayraishikawa@ufpr.br 2 Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental, Universidade Federal do Paraná, uritiba - bleninger@ufpr.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 desenvolvimento dessas cidades está diretamente ligado às condições de seus oceanos, devido às extrações de óleo e gás, navegações, atividades portuárias e o turismo (atividade mais rentável). As atividades que mais afetam a produtividade de ambientes marinhos são a deposição atmosférica, rejeitos municipais, industriais e agrícolas. No entanto, a descarga de esgoto e rejeitos líquidos é considerada a atividade mais degradante das quais as cidades poluem as regiões costeiras (UNEP 2005). UNEP s Global Initiative on Marine Litter tem como objetivo identificar as principais fontes de lixo nos oceanos e propor planos de ação. om o apoio de 12 regionais distribuídas ao longo do globo os emissários submarinos industriais são apontados como uma das fontes de poluição, sendo que na Espanha os esses sistemas são as principais fontes durante a baixa temporada (UNEP 2009). Para permitir futuro crescimento e atender grandes flutuações da população sem prejudicar a saúde pública, evitar despejos clandestinos e ter maior controle da descarga, a implantação de emissários submarinos vem sido adotada como solução. O sistema é baseado na coleta do efluente, seu envio para uma planta de tratamento e por fim sua descarga no oceano onde ocorre a autodepuração das substâncias (sendo nutrientes em caso de esgoto doméstico). Para evitar possíveis problemas, a região de descarga é selecionada após estudos que garantam que o efluente não chegue até a costa (proteção para balneabilidade e saúde pública), não criem acumulação de substâncias e potencias efeitos de eutrofização, assim terão impactos ambientais aceitáveis e legais. Esses estudos qualificam e quantificam o tratamento do efluente, geralmente baseados em modelos matemáticos que preveem os processos de mistura. Os processos de mistura e degradação associados podem ser divididos em duas regiões: campo próximo e afastado. A diferença entre as duas regiões é tão grande que implica na necessidade de modelos distintos, o acoplamento entre eles é uma das maneiras de descrever a completa dispersão do efluente, porém muito complexa. Além disso, os parâmetros necessários para a utilização dos modelos são instáveis, mas a maioria dos modelos trabalha em regime permanente. O trabalho tem como objetivo aplicar o modelo em regime permanente de campo próximo, ormix, usando séries temporais com o intuito de melhorar a avaliação dos parâmetros que variam com o tempo. O objetivo principal é o desenvolvimento de uma metodologia capaz de visualizar e analisar o desempenho de emissários submarinos a partir de resultados numéricos na região da descarga do efluente. PROESSOS DE MISTURA omo dito, a descarga do efluente pode ser dividida em duas regiões: campo próximo e campo afastado. O primeiro é o momento inicial, em que as propriedades da fonte de emissão dominam a mistura, tais como quantidade de movimento e diferença de densidade. O campo próximo possui, em média, escalas temporais que abrangem de segundos até minutos e escala espacial que varia de 0,10 m a 100 m. O campo afastado ocorre quando as características do lançamento quantidade de movimento, a diferença de densidade entre efluente e corpo d água, entre outros já foram dissipadas e as condições do ambiente dominam as mistura. Possui escala temporal que varia de minutos até horas e espacial de 100 m a 1000 m (Figura 1). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Figura 1 - Escalas temporais e espaciais características em disposições oceânicas Socolofsky S.A et al (2013) adaptado Para maiores informações, Socolofsky ET al. (2012) descreve detalhadamente os processos de mistura que ocorrem na descarga de efluentes. Durante o processo, a diluição mais significativa ocorre no campo próximo, portanto, é a região de principal interesse para avaliação do impacto ambiental gerado por um sistema de disposição oceânica. Por isso há um grande interesse de identificar quais são as diluições atingidas nessa região e para uma determinada zona de mistura (área delimitada por órgãos licenciadores). MODELO ORMIX ormix é um software para análise, previsão e design de descargas tóxicas ou convencionais em diversos corpos d água. Abrange situações de descargas pontuais, em linha de difusores submersa, em superfície e para descargas de plantas de dessalinização no campo próximo. Foi desenvolvido em cooperação entre várias instituições, entre elas a U.S. EPA (Environmental Protection Agency), ornell University, Oregon Graduate Institute, MixZon Inc. entre outras. O software é recomendado para a análise de descargas industriais, municipais e térmicas, sendo seu maior foco na previsão da geometria da pluma e suas características de diluição inicial (zona de mistura), de acordo com as regulamentações para qualidade da água. ormix faz análises qualitativas com escalas de comprimento (aproximações feitas a partir de medidas que influenciam nos processos de mistura capazes de identificar aspectos chave de um escoamento) dessa maneira um escoamento pré-classificado é determinado. A análise quantitativa é feita por meio do Buoyant Jet Integral Model - orjet (modelo matemático que consiste em um conjunto de equações diferenciais que simulam o comportamento da mistura integrando massa, quantidade de movimento e energia ao longo da trajetória da pluma), capaz de simular um único jato ou múltiplos jatos interagindo em uma linha de difusores. omo resultados são apresentados a trajetória da pluma, a mistura e a conformidade com regulamentações especificadas, além de gráficos do comportamento da pluma (ormix, 2014). Descrições detalhadas sobre o modelo podem ser encontradas em Socolofsky ET al. (2012). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 É importante ressaltar que o software assume que o ambiente se encontra em estado permanente, no entanto algumas rotinas auxiliam na aplicação do modelo em ambientes altamente instáveis, com marés e recirculações (ormix, 2014). ortime ortime é uma ferramenta de pós processamento, disponível apenas na versão v5.0gtr* Research Tools, que permite o cálculo automático da modelagem a partir de séries temporais. A ferramenta executa o ormix com um arquivo de entrada, a cada passo temporal obtém como resultado as características correspondentes para cada pluma calculada e salva automaticamente arquivos que auxiliam em suas análises. O arquivo de entrada contém os parâmetros de entrada do ormix que se alteram (no ambiente e/ou na descarga), dessa maneira a simulação do ortime auxilia na análise do comportamento da pluma sob condições que variam no tempo, a ferramenta também é utilizada para o acoplamento ao campo afastado (ormix, 2014). O principal arquivo de saída do ortime é o Status Report, em que são resumidas características da descarga para cada passo temporal calculado, como as coordenadas x, y e z da linha central de dispersão da pluma ao fim do campo próximo, suas respectivas diluições, concentrações, dimensões da pluma e o tempo que o efluente leva para alcançar esse ponto. Também é possível visualizar gráficos que apresentam a distribuição de frequência dos parâmetros, parâmetros VS tempo e a localização dos pontos x e y no espaço. Este arquivo de saída está sendo utilizado neste estudo para processamentos adicionais e visualização em uma programação em MatLab. ÁREA DE ESTUDO omo estudo de caso serão utilizados dados medidos em campo na região costeira de artagena olômbia, situada entre as coordenadas 7,8 e 12,2 N (Norte) e 78 e 74 W (Oeste), inserida na porção sul do Mar do aribe. oletados a fim de caracterizar o local aonde seria implantado um emissário submarino, durante os anos de 1998 e A principal atração da região é o recife de corais (Roberts e Villegas, 2006). Figura 2 - Batimetria e localização do ADP na região costeira de artagena (Roberts, 2003) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Foram adquiridos dados de correntes, marés, densidade e ventos. Os parâmetros a serem utilizados neste trabalho foram obtidos por meio de ADP (Acoustic Dopples urrent Profiler) afundado a 17,7 m de profundidade e a 2,5 km de Punta anoa (Figura 2). Mais detalhes sobre o trabalho de coleta de dados podem ser encontrados nos seguintes trabalhos: Roberts (2003) e Roberts e Villegas (2006). METODOLOGIA Avaliação de desempenho de emissários submarinos O Status Report foi utilizado como arquivo de entrada para um programa feito em MatLab em que é realizada uma análise do desempenho do emissário submarino a ser implantado na região. Este programa teve foco na diluição e concentração do efluente, pois são parâmetros que implicam diretamente na qualidade da água. São feitas comparações com valores que podem ser estabelecidos de acordo com a norma e/ou qualidade de água que se deseja alcançar. A diluição é dada por: S 0 a a (1) Em que S é a diluição, 0 a concentração inicial do poluente a ser analisado (concentração no efluente), a é a concentração do poluente no ambiente e é a concentração final após a diluição. Para tanto, foi adotado o cálculo da média harmônica, segundo Roberts (1997), as médias de concentrações e diluições são muito menores do que o valor máximo, se a média aritmética for utilizada haverá um valor muito alto devido a alguns picos, quando utilizada a média harmônica essa discrepância é irrelevante. A média harmônica é dada por: S h 1 n 1 n i 1 1 S i (2) A diluição e a elevação da pluma podem ser relacionadas, por isso a variação da elevação também é verificada. As menores diluições ocorrem quando a pluma está profundamente submersa, enquanto as diluições de plumas que alcançam a superfície são geralmente muito maiores (Roberts, 1999). Para a comparação o termo exceedance frequency é utilizado, seria o período em que a concentração/diluição excede o valor desejado ou exigido pelas normas. Portanto, se o exceedance frequency é muito alto entende-se que para o período simulado o emissário não atinge o desempenho desejado na maior parte do tempo, mas se esse valor é pequeno indica-se uma eficiência significativa do sistema. Visualização da simulação em mapas de concentração A fim de melhorar a visualização da dispersão da pluma, mapas animados foram confeccionados. omo o modelo trabalha em estado permanente, cada passo temporal simulado no ortime equivale a um quadro da animação. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 ada quadro é uma plotagem de uma matriz com valores de concentração. O gráfico é feito com o comando contourf no programa MatLab que exibe isolinhas preenchidas, usando cores constantes para uma determinada faixa de concentração, calculadas a partir da matriz dada. Para obter a matriz são utilizadas as coordenadas do fim do campo próximo, a concentração inicial e final do efluente e a largura da pluma. A partir desses dados são identificados pontos equivalentes à localização dos difusores e às extremidades da pluma. Para os pontos dos difusores são associados o valor de 0 e para os pontos das extremidades da pluma o valor de, com o comando griddata esses valores são interpolados e a matriz de concentração é gerada. RESULTADOS Avaliação de desempenho de emissários submarinos Para a visualização dos resultados da programação estipulou-se a = 0 mg/l, 0 = 350 mg/l e = 5 mg/l, portanto a diluição necessária é 70. O valor de 5 mg/l é estipulado como uma concentração final desejada a fim de verificar se o emissário é capaz de atingir a meta. Esses valores foram selecionados de acordo com Von Sperling (2014) que indica que a concentração de DBO de esgotos domésticos está em torno de 300 mg/l, e a resolução ONAMA 357/2005 que classifica águas doces de classe 2 com concentração de DBO 5 dias a 20 de até 5 mg/l. A profundidade do corpo d água é de 20m e a zona de mistura 300 m (ou seja, em uma distância de 300 m dos difusores a concentração ideal deve ser alcançada). Gráfico 1 Variação da concentração, diluição e elevação da pluma VS tempo ao fim da zona de mistura; respectivamente. Gráficos gerados a partir da programação de pós-processamento dos arquivos de saída do ortime XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Observa-se que para esta simulação a diluição média está acima da diluição ideal e por consequência a concentração média está abaixo da concentração desejada. Alguns picos não seguem esse padrão, a porcentagem de tempo em que esses picos ocorrem (relativa ao período simulado) é o exceedance frequency. Além disso, a pluma é de superfície na maioria do tempo. O Gráfico 1 é referente ao fim da zona de mistura, para o fim do campo próximo a diluição tende a aumentar, pois em alguns passos temporais o fim do campo próximo é maior que a zona de mistura. Os valores médios e do exceedance frequency são apresentados na Tabela 1: Tabela 1 Resultados da programação de pós-processamento dos arquivos de saída do ortime, para DBO Diluição S E oncentração Elevação Média exceedance exceedance exceedance Média () Média (E) (S) frequency frequency frequency Zona de Mistura (300 m) 663,8 0,74 % 0,2478 mg/l 0,74 % 18,15 m 66,7 % ampo Próximo (valor médio 200 m) 677,0 0,74% 0,2478 mg/l 0,74 % 18,23 m 66,7 % Para a mesma situação simulando a eficiência do mesmo sistema para a dispersão de fósforo total com a = 0 mg/l, 0 = 7 mg/l (Von Sperling, 2014) e = 0,030 mg/l (ONAMA 357/2005), os valores das diluições são os mesmos, mas como neste caso a diluição requerida é de 233,3 o exceedance frequency vai para 2,82 % para o fim da zona de mistura e 3,27 % para o fim do campo próximo. Visualização da simulação em mapas de concentração omo o estudo de caso é do emissário submarino de artagena, suas características foram adotadas para a simulação. Portanto, o emissário possui comprimento de 540 m e o ângulo Alpha, ângulo entre o norte geográfico e a linha de difusores contado em sentido horário, de 120. aso a fonte seja pontual esses valores são iguais à zero. A Figura 3 apresenta alguns quadros da animação: Figura 3 Quadros da animação programada para visualização da simulação em mapas de concentração XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 ONLUSÃO Os resultados para a avaliação de emissários submarinos mostra que é possível identificar a eficiência do sistema a partir da sua capacidade de diluição. om os dois cenários propostos, o primeiro para uma diluição igual à 70, que foi comparado com valores característicos para DBO, e o segundo para uma diluição de 233,3 que se assemelha ao requerido para fósforo, verifica-se que o sistema é muito eficiente para determinados poluentes e que não se pode estender essa afirmação para outras substâncias. Os valores do exceedance frequency mostram isso com mais clareza, no primeiro caso seu valor de 0,74% na zona de mistura e no campo próximo. Enquanto no segundo cenário esse valor era de 2,82 % na zona de mistura e 3,27 % para o fim do campo próximo. A partir da diferença desse valor entre zona de mistura e campo próximo abrem-se brechas para discussões do tipo: é possível que a zona de mistura, que sofrerá o maior impacto, aumente de 300 m para 500 m? Ou seria melhor que o tratamento do efluente na planta fosse melhorado? Este programa se torna então uma ferramenta capaz de auxiliar na tomada de decisões nos projetos de implantações de emissários submarinos. O gráfico animado auxilia na visualização do comportamento da pluma ao longo tempo, mesmo que simulado em um modelo em estado estacionário. REFERÊNIAS BIBLIOGRÁFIAS ONAMA (2005). Resolução 357: Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. ORMIX (2014). User Manual - A Hydrodynamic Mixing Zone Model and Decision Support System for Pollutant Discharges into Surface Waters. IBGE (2011). Atlas geográfico das zonas costeiras e oceânicas do Brasil. Rio de Janeiro, ed. IBGE. NOAA (2011). National Oceanic and Atmospheric Administration - United States Department of ommerce. Disponível em [Acessado em 29/10/2014]. SOOLOFSKY, S. A.; BLENINGER, T. B.; DONEKER, R. L. (2013). Jets and Plumes. In: Handbook of Environmental Fluid Dynamics. vol. 1. pp UNEP, (2005). oastal Area Pollution - The Role of ities, Disponível em: [Acessado em 29/10/2014]. UNEP, (2008). Vital Water Graphics - An Overview of the State of the World's Fresh and Marine Water - 2nd Edition, s.l.: s.n. UNEP, (2009). Global Initiative on Marine Litter. Org. por Ljubomir Jeftic, Seba Sheavly e Ellik Adler ROBERTS, P.J.W.; STERNAU, R. (1997). Mixing Zone Analysis for oastal Wastewater Discharge. Journal of Environmental Engineering. ROBERTS, P.J.W. (1999). Modeling Mamala bay outfall plumes. I: near field. Journal of Hydraulic Engineering, 125(6), ROBERTS, P.J.W. (2003). Dilution Modeling for artagena Ocean Outfall. artagena: Aguas de artagena, ROBERTS, P. J. W.; VILLEGAS, B. (2006). Three Dimensional Modeling of Bacterial Transport for the artagena Ocean Outfall. artagena: Aguas de artagena, VON SPERLING, M. (2014). Introdução e Modelagem do nitrogênio e fósforo. In Estudos e modelagem da qualidade da água de rios. Org. por Von Sperling, M., Editora UFMG, Belo Horizonte - MG, pp e XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8