IV-011 COMPORTAMENTO DE POLUENTES EM BACIA URBANO-RURAL COM PLANTIO DIRETO: SIMULAÇÃO COM O MODELO QUAL2E

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1 IV-011 COMPORTAMENTO DE POLUENTES EM BACIA URBANO-RURAL COM PLANTIO DIRETO: SIMULAÇÃO COM O MODELO QUAL2E Zuleica Souza dos Santos (1) Química Industrial; Mestre e Doutoranda em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pelo IPH/UFRGS. Prof a. Departamento de Ciências Exatas e da Terra- URI- Campus Santo Ângelo; Coordenadora de Projetos de Pesquisa e Extensão do Pólo de Inovação Tecnológica das Missões, convênio SCT-RS. Sérgio João de Luca (2) Engenheiro Civil; Prof. Titular IPH / UFRGS. dlk@vortex.ufrgs.br. Endereço (1) : Rua Santo Ângelo, 244- Santo Ângelo-RS-CEP: Brasil. Tel: (55) (prof.)- FAX:(55) ; zuleica@urisan.tche.br RESUMO O trabalho teve a intenção de verificar as inter-relações que ocorrem no transporte superficial de poluentes em águas do Arroio Itaquarinchim, uma bacia urbano-rural, situada em Santo Ângelo, RS, Brasil, onde se pratica plantio direto de soja. A partir dos dados obtidos ajustou-se o modelo de simulação QUAL2E para projeção de cenários futuros de usos do solo da bacia hidrográfica em análise. A bacia foi dividida em 6 trechos de simulação. O modelo QUAL2E foi utilizado em regime permanente (steady state). Foram utilizados dados do monitoramento da qualidade físico-química e bacteriológica realizado na bacia (Santos, 2001), além de dados da CORSAN e COTRISA (Cooperativa Tritícola Regional de Santo Ângelo). Os dados simulados foram: demanda bioquímica de oxigênio (DBO 5 ), oxigênio dissolvido (OD), fósforo dissolvido, nitrato, nitrito e coliformes fecais. As taxas que foram empregadas na simulação demonstraram a grande variação que acontece nas águas da bacia, em função das diferentes formas de uso do solo. A simulação de oxigênio dissolvido determinou valores pouco superior aos valores reais monitorados, na bacia com plantio direto, e o maior valor simulado da constante de reaeração foi 0,24 dia -1, no final da bacia, próximo à foz, no rio Ijuí. A simulação da demanda bioquímica de oxigênio apresentou bons resultados, demonstrando com facilidade a degradação ambiental que ocorre quando a bacia sai da área de agricultura com plantio direto e entra na área urbana. Nitrato e nitrito foram simulados perfeitamente. O modelo não apresentou uma boa simulação para o fósforo e coliformes fecais, este último na bacia urbanizada. A simulação de coliformes fecais na área agrícola de plantio direto e convencional apresentou bons resultados. Os dados gerados no trabalho permitem definir o modelo QUAL2E como uma boa ferramenta para a simulação de cenários na bacia avaliada, úteis na previsão da qualidade da água durante o crescimento demográfico da cidade de Santo Ângelo, centro político regional das Missões, assim como facilitar o planejamento da bacia e das campanhas de educação ambiental. PALAVRAS-CHAVE: simulação, qualidade da água, poluentes, plantio direto. INTRODUÇÃO As bacias hidrográficas têm sido enfatizadas como elemento de aglutinação e planejamento dos usos dos recursos hídricos superficiais e subterrâneos. Uma das principais características que afetam a disponibilidade e a qualidade dos recursos hídricos é o uso do solo, normalmente dividido em ocupação urbana e rural. Na área urbana predominam as fontes pontuais de contaminação tais como efluentes domésticos, efluentes industriais, tratados ou não, efluentes e lixívias de aterros de resíduos sólidos e de lixões e a drenagem pluvial urbana; já nas áreas rurais, predominam fontes não pontuais de contaminantes naturais e antropogênicas, notadamente, drenagem agrícola e de pecuária extensiva, drenagem de silvicultura e florestas, precipitação atmosférica e fluxos de base contaminados (De Luca, Santos e Deus, 2001). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Com relação ao uso e ocupação do solo, as principais fontes difusas dizem respeito a agricultura e criação de animais. A necessidade de crescimento da produção de alimentos tem levado a agricultura para técnicas de uso intensivo do solo, prejudicando a qualidade das águas pelo uso de irrigação e aplicação de fertilizantes. A nova tendência mundial de preservar o ambiente tem feito com que as comunidades se organizem e adotem novos modelos de prática agrícola, buscando a redução dos poluentes gerados e a manutenção da produtividade do solo. Este trabalho trata exatamente desta problemática envolvendo os poluentes gerados em uma bacia agrícola situada na região das Missões, zona noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, Brasil. Trata da bacia do Arroio Itaquarinchim, localizada em Santo Ângelo (longitude 54 o 15, latitude 28 o 15 ), pólo político regional, com uma área de bacia de 61,8 km 2, da qual 90% da área agrícola emprega plantio direto de soja na palha. Apresentando habitantes, sendo habitantes residentes da zona rural do município e, segundo o Conselho Regional de Desenvolvimento das Missões (1998) as atividades sócio-econômicas desenvolvidas no município são correspondentes a 4% do PIB gaúcho. O estudo da problemática da região, no que diz respeito a meio ambiente/saneamento aponta, entre outros, assoreamento dos rios por falta de cobertura vegetal e de matas ciliares, erosão do solo e turbidez elevada dos rios (UNIJUÍ/URI, 1998). A aplicação de índices de proteção da vida aquática (IVA), aplicados à bacia, demonstram capacidade regular de proteção da vida aquática, caracterizando o efeito antrópico sobre a bacia (De Luca, Santos e Deus, 2001). O presente trabalho contém dados da simulação realizada, utilizando o modelo QUAL2E, para a análise do deslocamento dos poluentes na bacia do Arroio Itaquarinchim, considerando-a como uma bacia que pratica há longo tempo o plantio direto na palha e na qual já existe um trabalho, mais de 20 anos, de campanhas de identificação das características da bacia, assim como de educação ambiental que têm resultado ineficientes, na área urbana, pela falta de conscientização e dados físico-químicos, numéricos, que demonstrem a eficiência do trabalho desenvolvido na bacia. O efeito do crescimento demográfico do município sobre a qualidade da água, a modificação das características da bacia em função da mudança do uso da mesma como, por exemplo, o aumento do rebanho de gado de leite e outros cenários previstos para a bacia tornam interessante a simulação em modelos que sejam adequados às características aqui analisadas. Este trabalho se desenvolveu, primeiro, através do monitoramento mensal, durante um ano de vários parâmetros analíticos, dos quais foram selecionados para simulação, a demanda bioquímica de oxigênio (DBO 5 ), oxigênio dissolvido (OD), fósforo dissolvido, nitrato, nitrito e coliformes fecais. Também foi realizada a medição de vazão do Arroio, a identificação de dados do relevo e conformação da calha do Arroio, no local. A coleta de dados junto à CORSAN e Cooperativa Tritícola de Santo Ângelo (COTRISA) forneceram outros dados que permitiram completar o quadro para a simulação com o modelo. Todo o projeto teve o apoio da Secretaria de Ciência e Tecnologia do Estado do Rio Grande do Sul. METODOLOGIA O emprego do modelo QUAL2E na avaliação do impacto de despejos poluentes pontuais e não pontuais foi realizado em regime permanente (steady state). Para isso foram utilizados dados produzidos pelo monitoramento mensal durante um ano da qualidade físico-química e bacteriológica da bacia (Santos, 2001) além de dados obtidos durante 5 anos pela CORSAN e durante 20 anos pela Cooperativa Tritícola Regional de Santo Ângelo /. RS Foram simuladas as seguintes variáveis: demanda bioquímica de oxigênio (DBO 5 ), oxigênio dissolvido (OD), fósforo dissolvido, nitrato, nitrito e coliformes fecais. A bacia foi dividida em 6 trechos, numerados de montante para jusante e denominados, conforme aparecem no Quadro I. Durante a simulação, todos os aportes de vazão e carga foram considerados pontuais, com discretização de 51 elementos computacionais de km. Considerou-se no modelo, a entrada de tributário, irrigação, presença de esgoto doméstico e industrial, a captação de água pela CORSAN e uma cascata. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Quadro I- Identificação dos Trechos de Simulação Trechos Identificação 1 Comandai 2 Rincão do Sossego 3 Campo do Exército 4 Frigorífico 5 Sabo 6 Rincão dos Gabriel O regime hidráulico foi considerado uniforme, não sendo avaliado aumento de vazão para ajuste da concentração (efeito da diluição de poluentes). Foram utilizados dados de medição de vazão obtidos durante o monitoramento. Outros dados hidráulicos (coeficientes de dispersão e coeficiente de Manning) foram estimados a partir de dados do Potiribu (Bauermann, 1994), em razão da semelhança com a bacia e relacionados com o manual do modelo QUAL2E (Brown e Barnwell, 1987). As constantes das taxas de reação obedeceram à faixa de valores indicados no manual do modelo. Foram empregadas 3 equações para o cálculo do coeficiente de reaeração: Churchill, Elmore e Buckinghlam ; Owens et al e O Connor e Dobbins ( Brown e Barnwell, 1987) para verificar a mais adequada à situação em estudo. As vazões incrementais foram avaliadas considerando a média das vazões obtidas durante o monitoramento. RESULTADOS E DISCUSSÃO As simulações de ajuste do modelo em regime estável foram programadas para uma solução convergente com trinta iterações no máximo; no entanto, com quatro iterações já estabilizaram os perfis das concentrações médias dos parâmetros simulados. Os coeficientes das taxas de reação que melhor se ajustaram aos resultados analíticos demonstraram grande diferença de valores, caracterizando as grandes modificações que a qualidade da água sofre durante os 25,5 km de seu percurso na bacia, até chegar ao rio Ijuí, onde deságua. No Quadro II, a seguir, aparecem as constantes de taxas de reação ajustadas e utilizadas para simular o oxigênio dissolvido e a demanda bioquímica de oxigênio. No Rincão do Sossego, Bairro Residencial Sabo e Rincão dos Gabriel são os trechos simulados onde ocorreu o maior coeficiente de decaimento de DBO 5, com valores de 1,00 dia -1, 1,90 dia -1 e 3,40 dia -1, respectivamente. O aumento do coeficiente de decaimento deste parâmetro no Rincão dos Gabriel identifica o aumento da capacidade de recuperação deste local, quando relacionado ao Rincão do Sossego, onde ocorre a irrigação, dentro da bacia. Também neste local, é uma área da bacia onde se pratica o plantio convencional, assim como uma dos locais de agricultura menos desenvolvida, com menor produção. Ao mesmo tempo, comparando-se o coeficiente de reaeração, observa-se que o Comandai e o Rincão do Sossego (trechos 1 e 2) apresentam o mesmo coeficiente de reaeração (0,002 dia -1 ). Já o Rincão dos Gabriel apresenta 120 vezes maior que estes dois e 40 vezes maior, quando relacionado ao Sabo (trecho 5). Os valores destes coeficientes de reaeração do Arroio Itaquarinchim são muito baixos, com exceção, do Rincão dos Gabriel (0,24 dia -1 ), frisando que, a montante deste local, existe uma cascata. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 Quadro II- Constantes das taxas de reação utilizadas na simulação com o modelo computacional QUAL2E, na bacia do Arroio Itaquarinchim, em Santo Ângelo, RS, Brasil. Trechos/ Constantes (K 1 ) Coeficiente da taxa de decaimento de DBO (dia -1 ) (K 3 ) Taxa de remoção de DBO por sedimentação (dia -1 ) (SOD) Demanda de oxigênio por sedimentação (g/m 2.dia) ,03 1 0,02 0,02 1,9 3,4 0,3 0, ,4 0, (K 2 ) Coeficiente de reaeração 0,002 0,002 0,005 0,02 0,006 0,24 O Quadro III apresenta os valores das constantes das taxas de reação de transformação do nitrogênio nos 6 trechos simulados no modelo. Observa-se que no Rincão do Sossego (trecho 2) ocorrem os maiores valores na taxa de sedimentação de nitrogênio orgânico, taxa de oxidação da amônia e oxidação do nitrito. A taxa de oxidação elevada de nitrito ocorreu no Comandai (trecho 1) e também no Frigorífico (trecho 4). Os trechos representam a área rural com plantio direto e o início da área urbana. Já o Rincão dos Gabriel (trecho 6) apresenta valores menores para taxa de hidrólise de nitrogênio orgânico, taxa de sedimentação de N-orgânico, taxa de oxidação da amônia e oxidação do nitrito, demonstrando como o trecho têm dificuldade na degradação deste poluente. Este trecho apresenta a menor área de simulação, assim como é uma área rural em que se pratica plantio convencional. Quadro III- Constantes das taxas de reação do nitrogênio na simulação com o modelo computacional QUAL2E, nos trechos simulados do Arroio Itaquarinchim, em Santo Ângelo, RS, Brasil. Trecho/ constantes (dia -1 ) (CKNH2) Coeficiente para taxa de hidrólise de N-orgânico (SETNH2) Coeficiente para taxa de sedimentação de N-orgânico (CKNH3) Coeficiente para taxa de oxidação da amônia (CKNO2) Coeficiente para taxa de oxidação do nitrito 0,08 0,4 0,1 0,16 0,02 0,02 0,05 0,1 0,1 0,005 0,001 0,001 0,25 1 0,4 0,4 1 0, ,9 2 0,9 0,65 O Quadro IV apresenta as taxas de degradação do fósforo nas águas da bacia analisada, assim como o decaimento de coliformes. Observa-se que na simulação o Campo de Instrução do Exército (trecho 3) apresentou a maior taxa de decaimento e oxidação do fósforo orgânico. Outros valores para as taxas de reação analisadas não apresentaram nenhuma aproximação com os dados de monitoramento. Observa-se que a maior taxa de decaimento de coliformes fecais acontece no Campo de Instrução do Exército (trecho 3) e no Rincão dos Gabriel (trecho 6), este último um local de agricultura com plantio convencional. O Campo de Instrução do Exército é um dos pontos que apresentou valores elevados de chumbo (Santos, 2001), o que deve ter atuado nesta taxa de decaimento, tornando-a maior neste local. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Quadro IV- Constantes das taxas de reação do fósforo e de decaimento dos coliformes fecais, na simulação com o modelo computacional QUAL2E, nos trechos do Arroio Itaquarinchim, em Santo Ângelo, RS, Brasil. Trechos/ Constantes (CKPORG)Coeficiente para taxa de decaimento de fósforo orgânico (dia -1 ) (SETPORG) Coeficiente para taxa de oxidação de fósforo orgânico (dia -1 ) (CK5COLI) Coeficiente para taxa de decaimento de coliformes (dia -1 ) 0,02 0,01 0,7 0,01 0,01 0,01 0,03 0,001 0,1 0,001 0,001 0, ,3 4 0,05 0,05 4 A seguir serão apresentadas as Figuras que demonstram a relação entre a simulação e os dados de observação. A Figura I apresenta as concentrações médias resultantes da simulação do oxigênio dissolvido e demanda bioquímica de oxigênio, colocados em comparação com os valores observados, durante o monitoramento, no cenário em estudo. A equação de O Connor e Dobbins foi a que se mostrou mais adequada a este estudo. Analisando a Figura I, percebe-se pequena variação na concentração de oxigênio, nos 18 km iniciais, o que não ocorre durante o monitoramento. A simulação de oxigênio dissolvido superestimou a sua concentração na qualidade do Arroio, principalmente, nos trechos iniciais. As variações das taxas de reação, pouca alteração determinaram nas concentrações de oxigênio. O maior coeficiente de reaeração, ocorrido no Rincão dos Gabriel, ainda não simulou perfeitamente a reaeração ocorrida pela proximidade da cascata presente a montante do local, pois a simulação apresentou valor inferior ao observado. Figura I- Perfil de OD e DBO 5 simulados, em comparação aos observados, ao longo do percurso no Arroio Itaquarinchim, em Santo Ângelo, RS, Brasil , , ,5 OD e DBO (mg/l) OD sim. OD obs. DBO5 sim. DBO5 obs. Percurso no Arroio (km) A simulação do DBO 5 demonstrou a grande variação do parâmetro quando se compara a bacia rural com a urbana. O modelo consegue, com nitidez, demonstrar a diferença de qualidade, apontando concentrações muito maiores de demanda bioquímica de oxigênio na bacia urbanizada, a partir dos 14 km da cabeceira. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 A Figura 2, apresenta a simulação do nitrogênio sob a forma de nitrato e nitrito. Esta simulação apresentou resultados compatíveis entre o real e o simulado, denotando o bom ajuste do modelo. A simulação de nitrato determinou valores um pouco inferiores aos obtidos durante o monitoramento. Já nitrito apresentou uma simulação perfeita, o que denota grande ajuste das taxas de reação, para este componente de qualidade. Figura2- Perfil do nitrogênio, sob a forma de óxido, simulado e observado, na bacia do Arroio Itaquarinchim, Santo Ângelo, RS, Brasil. Nitrogênio (mg/l) 2 1,5 1 0 Nitrito simul. Nitrito obs. Nitrato simul. Nitrato obs. 4 7, , ,5 25 Percurso no Arroio Itaquarinchim (km) A simulação de fósforo dissolvido sob a forma de fosfato apresentou aproximação com o fosfato observado, apenas no Comandai. Nos demais locais da bacia não houve uma boa simulação. A grande variação das concentrações de fosfato na bacia dificultou a simulação, identificando o problema do modelo em simular este parâmetro, como se observa na Figura 3, colocada a seguir. Esta dificuldade transparece em outros trabalhos no RS como, por exemplo, na bacia do rio dos Sinos (De Luca, 1996). É importante que se refaça a simulação, verificando novos dados da bacia e novas taxas, com maiores variações para verificar este problema de ajuste do modelo. A simulação de coliformes fecais foi perfeita na bacia rural com plantio direto, já na bacia urbana, o modelo não conseguiu simular as condições reais da bacia. A Figura 4, colocada a seguir demonstra estes resultados. Acredita-se que os dados coletados sobre a bacia urbana não traduzem a veracidade das cargas poluentes existentes, haja visto que na bacia rural, acompanhada há longo tempo pela COTRISA apresentou uma boa simulação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 3- Perfil do fosfato dissolvido, simulado e observado, ao longo da bacia do Arroio Itaquarinchim, em Santo Ângelo, RS, Brasil. Fosfato dissolvido, mg/l 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0, , , ,5 Fosfato simul. Fosfato obs. Percurso no Arroio Itaquarinchim (km) Figura 4- Perfil da densidade de coliformes fecais, simulada e observada ao longo da bacia do Arroio Itaquarinchim, Santo Ângelo, RS, Brasil. Log densidade coliformes fecais 4 3,5 3 2,5 2 1, , , ,5 25 Coliformes fecais simul. Coliformes fecais obs. Percurso no Arroio Itaquarinchim (km) As características hidráulicas médias simuladas atendem, razoavelmente, às observadas durante o trabalho de campo. O tempo total de percurso da solução, dentro do Arroio, no Comandaí, até sua foz foi estimado em 37,9 h, tempo insuficiente para que ocorram grandes mudanças físico-químicas na solução, justificando que a poluição gerada na bacia não sofre completa oxidação no curso d água em estudo. Provavelmente, grande parte dos poluentes sofrem sua decomposição já nas águas do rio Ijuí. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES A simulação no modelo QUAL2E mostrou-se adequada para oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, nitrogênio sob a forma de nitrito e nitrato, permitindo uma boa visualização do comportamento desses componentes ao longo do curso d água. Não foi obtida uma boa simulação para fósforo e coliformes fecais. A manutenção do monitoramento da qualidade da água do Arroio Itaquarinchim, a produção de mais dados hidrológicos e o conhecimento da variabilidade das cargas poluentes da bacia podem aumentar significativamente a sensibilidade do modelo. O trabalho permitiu visualizar, facilmente, que as práticas de manejo da bacia, com plantio direto na palha, se mostraram adequadas para a manutenção da qualidade da água. É importante que o próximo passo seja a determinação da potencial presença de pesticidas e herbicidas na bacia. Dados que têm preocupado a comunidade e cujo conhecimento ainda não foi produzido. Estes dados são inovadores para a bacia e permitem sua utilização como ferramenta para a simulação de cenários, úteis na previsão da qualidade da água durante o crescimento demográfico da cidade de Santo Ângelo, no planejamento da bacia hidrográfica e nas campanhas de educação ambiental. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 1. BAUERMAN, A.A Apoio à decisão em recursos hídricos: integração de planilha eletrônica com modelo de simulação de qualidade da água. Dissertação de mestrado. IPH/UFRGS. 115p. 2. BROWN, L.C.; BARNWELL, T.O The enhanced stream water quality models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS: documentation and user manual. Athens: EPA. 3. DE LUCA, S.J.;PRATES, S Simulação de qualidade e tratamento no Rio dos Sinos. Relatório final. Porto Alegre: IPH/UFRGS. 4. LAPP, Paul et al Water quality of an intensive agricultural watershed in Quebec. Journal of the American Water Resources Association. Herdon, v. 34, n.2: SANTOS, Z.S. Simulação da qualidade de água em bacia urbano-rural utilizando QUAL2E. Dissertação de Mestrado. IPH/UFRGS.84p. 6. DE LUCA, S.J. ; SANTOS, Z.S.; DEUS, A. B. S Qualidade da drenagem pluvial rural vs preservação e proteção da vida aquática. In: Avaliação e controle da drenagem urbana. Porto Alegre: ABRH. p UNIJUÍ/URI Plano de desenvolvimento integrado da região do Médio Uruguai-relatório de pesquisa. Santo Ângelo:UNIJUÍ/URI. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8