Eng. Civil Nadia Bernardi Bonumá. Pelotas - RS Novembro de 2010

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1 Seminário Nacional de Gestão e Uso da Água IV Reunião de Estudos Ambientais II Encontro Nacional de Engenharia Hídrica MINICURSO MONITORAMENTO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS: 3 - Monitoramento da qualidade da água Eng. Civil Nadia Bernardi Bonumá Pelotas - RS Novembro de 2010 Introdução Importância do monitoramento: Em suas múltiplas atividades, o homem precisa da água. A utilização cada vez maior dos recursos hídricos tem resultado em degradação da qualidade da água. Certos usos são conflitantes, com algumas atividades causando problemas de modificação de qualidade da água, em prejuízo de outras. A qualidade da água de um manancial, além de seus usos depende das atividades que se desenvolvem em suas margens.

2 Introdução Fontes de poluição: Poluição de águas superficiais: fontes localizadas são aquelas que têm um local determinado de lançamento na água, como as tubulações de esgotos domésticos e industriais; fontes difusas caracterizam-se por uma aplicação difusa dos poluentes na água. Fonte difusa Fontes pontuais Fontes de poluição: Introdução Poluição de águas subterrâneas: Podem originar-se das seguintes fontes: efluentes de esgotos (sumidouros, valas, lagoas); líquidos percolados em depósitos de resíduos solidos; drenagem de áreas irrigadas; infiltração de águas superficiais poluídas; injeção de resíduos líquidos (domésticos ou industrias) no subsolo; intrusão de água salgada.

3 LEI Nº 9.433, de 08 de janeiro de 1997: Política Nacional de Recursos Hídricos e Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos Aspectos legais Resolução Nº 357, de 17 de março de 2005 (CONAMA): 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 Portaria Nº 518, de 25 de março de 2004 Estabelece os procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade. Resolução Nº 357, de 17 de março de 2005: Aspectos legais Padrões de qualidade dos corpos receptores: dividiu as águas do território nacional em águas doces, salobras e salinas e foram criadas classes em função dos usos previstos; fixa parâmetros fundamentais à preservação do uso do corpo d água; Os padrões estão interrelacionados - ambos têm como objetivo a preservação da qualidade do corpo d água. Padrões para o lançamento de efluentes nos corpos d água: fixa parâmetros de emissão; emissão não deve prejudicar os usos; padrão de lançamento pode ser excedido, com permissão do orgão ambiental, caso os padrões de qualidade do corpo receptor sejam resguardados.

4 Enquadramento Levantamento Sanitário ou Diagnóstico da Bacia Hidrográfica: Deveria constituir a etapa inicial de qualquer programa de utilização ou de proteção de recursos hídricos; 2 partes: estudo das características da bacia e das condições sanitárias dos corpos d água; e levantamento das fontes de poluição (cargas poluidoras); Enquadramento de Recursos Hídricos: Com base no levantamento sanitário e após definir-se para que usos se destinarão - enquadramento, de acordo com a Resolução CONAMA nº 357; É feito não em função do estado atual do recurso hídrico, mas no sentido de que sejam alcançados os requisitos da classe definida para ele; Variáveis físicas: sólidos (totais, suspensos, dissolvidos), turbidez, temperatura; Variáveis físico-químicos: ph, alcalinidade, condutividade elétrica, oxigênio dissolvido, demandas química (DQO) e bioquímica de oxigênio (DBO); Variáveis químicos: metais, fosfato, nitrato; Variáveis de Qualidade de Agua Variáveis microbiológicos: coliformes totais e coliformes termotolerantes.

5 Sólidos: Variáveis físicas Todos os contaminantes da água, com exceção de gases dissolvidos, contribuem para carga de sólidos. Sólidos totais = suspensos + dissolvidos Sólidos fixos: representam a matéria inorgânica ou mineral Sólidos voláteis: estimativa da matéria orgânica nos sólido. Turbidez: Variáveis físicas A turbidez indica a alteração na passagem da luz devido à presença de partículas em suspensão na água, tornando-a com uma aparência turva. Origem natural: associada à variação sazonal, à intensidade de precipitação, à partículas de rocha, argila e silte, algas e outros microrganismos. Origem antropogênica: pode estar associada à compostos tóxicos, organismos patogênicos e à erosão. Pode reduzir a penetração da luz, prejudicando a fotossíntese.

6 Variáveis físicas Sólidos Suspensos x Turbidez: Temperatura: Variáveis físicas A temperatura da água exerce influência na velocidade das reações químicas, nas atividades metabólicas dos organismos e na solubilidade dos gases dissolvidos. Origem natural: radiação, condução ou convecção. Origem antropogênica: despejos industriais e águas de resfriamento. Deve ser analisada em conjunto com outros parâmetros, tais como OD.

7 Potencial hidrogeniônico (ph): Variáveis físico-químicas Indica a intensidade das condições ácidas ou alcalinas da água através da medição do grau de concentração de íons hidrogênio (H+). A escala de ph varia de 0 a 14, identificando a condição ácida, neutra ou alcalina. Origem natural: dissolução de rochas, a absorção de gases da atmosfera, a oxidação da matéria orgânica e a fotossíntese. Origem antropogênica: despejos domésticos e industriais e fontes difusas de poluição. Alcalinidade: Variáveis físico-químicas A alcalinidade indica a quantidade de íons na água para neutralizar os íons hidrogênio. É uma medição da capacidade da água em resistir às mudanças de ph. Os principais constituintes são os bicarbonatos (HCO 3- ), carbonatos (CO 2-3 ) e os hidróxidos (OH - ). Origem natural: dissolução de rochas e reação do CO 2 com a água; Origem antropogênica: despejos industriais.

8 Condutividade elétrica Variáveis físico-químicas Capacidade que a água apresenta de conduzir corrente elétrica. Relacionada com a presença de substâncias dissolvidas que se dissociam em ânions e cátions. Unidade (SI): microsiemens/cm. Oxigênio Dissolvido OD Variáveis físico-químicas Parâmetros significativo: diretamente relacionado com a possibilidade de manutenção de vida dos organismos aeróbios, que habitam o meio aquático. As variações nos teores de oxigênio dissolvido estão associadas aos processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem nos corpos d água.

9 Variáveis físico-químicas OD temperatura ph Condutividade OD temperatura (A) Terminal multiparâmetros inolab e (B) Oxímetro YSI (Paz, 2004). Variáveis físico-químicas Demandas Química (DQO) e Bioquímica de Oxigênio (DBO): Parâmetros utilizados para avaliar a quantidade de matéria orgânica presente no corpo hídrico. Matéria orgânica é responsável pela redução na concentração de OD. Avaliação da presença de matéria orgânica pode ser feita através da medição do consumo de oxigênio.

10 Variáveis físico-químicas Demandas Química (DQO) e Bioquímica de Oxigênio (DBO): A diferença entre DBO e DQO está no tipo de matéria orgânica estabilizada: DBO: quantidade de oxigênio molecular necessária para a estabilização da matéria orgânica mineralizada por atividades de microorganismos. DQO: refere-se, também, à estabilização da matéria orgânica ocorrida por processos químicos. DBO 5 : Teste padrão, realizado a uma temperatura constante e durante um período de incubação, também fixo de 5 dias. É medido pela diferença de OD antes e depois do período de incubação (APHA, Standard Methods, 1998). Variáveis físico-químicas Fonte: Paz (2004).

11 Coliformes Totais e Termotolerantes: Variáveis microbiológicas As bactérias do grupo coliforme são utilizadas como organismos indicadores de contaminação fecal. Coliformes totais (CT): constitui-se em um grande grupo de bactérias que em sido isolada de amostras de águas e solos poluídos e não poluídos, bem como de fezes de seres humanos e outros animais de sangue quente. Coliformes termotolerantes (Ctt): são um grupo de bactérias indicadoras de organismos originários do trato intestinal humano e outros animais. A Escherichia coli é uma bactéria pertencente a este grupo (Von Sperling, 1996). Coliformes Totais e Termotolerantes: Variáveis microbiológicas Tecnologia do substrato definido (Paz, 2004).

12 Coliformes Totais e Termotolerantes: Variáveis microbiológicas Fonte: Paz (2004). Metais: Variáveis Químicas Cádmio: em condições naturais é encontrado na água, em traços mínimos, mas pode ser nela introduzido por alguns despejos industriais. É considerado um elemento de elevado potencial tóxico, podendo causar intoxicação aguda e crônica. Chumbo: também pode ser encontrado na água em traços mínimos. Em geral sua origem vem da poluição por efluentes de indústrias ou minas, ou como resultado da ação corrosiva sobre as canalizações desse metal. É um metal cumulativo, podendo causar saturnismo, moléstia que pode levar à morte.

13 Metais: Variáveis Químicas Cromo hexavalente: origem natural é muito rara, de modo que quando estão presentes na água, devem originar-se da poluição por despejos industriais. Não se conhece ainda a quantidade desse íon que pode ser ingerida a longo prazo sem conseqüências adversas. Mercúrio: introduzido por efluentes industriais nos sistemas hídricos é inicialmente incorporado nos sedimentos de fundo. Esses sedimentos podem subseqüentemente trocar sua carga de mercúrio com a água que os cobre por até cem anos. A exposição ao mercúrio em longo prazo pode provocar rompimento dos cromossomos e inibição do mecanismo mitótico, além de poder causar danos irreversíveis ao cérebro. Metais: Variáveis Químicas Ferro e Manganês: apresentam comportamento químico semelhantes. Podem ser originados pela dissolução de componentes do solo ou por despejos industriais. Embora esses elementos não apresentem danos à saúde nas concentrações normalmente encontradas, eles podem provocar problemas estéticos (cor na água) ou prejudicar certos usos industriais e domésticos. Deve-se destacar que as águas de muitas regiões brasileiras, como no RS, já apresentam, naturalmente, teores elevados de ferro e manganês, que podem ser superiores aos limites estabelecidos pelo CONAMA 357/05 para a classe 2.

14 Fosfato: Variáveis Químicas O fósforo é um dos mais importantes nutrientes para o crescimento de plantas aquáticas. Quando esse crescimento ocorre em excesso - fenômeno da eutrofização. Na água, o fósforo pode ser encontrado em várias formas, entre elas como ortofosfatos, diretamente disponíveis para o metabolismo biológico sem necessidade de conversões a formas mais simples. Origem natural: dissolução de rochas, carreamento do solo, decomposição de matéria orgânica e chuva; Origem antropogênica: despejos domésticos e industriais, detergentes, excrementos de animais, fertilizantes e pesticidas, drenagem pluvial. Nitrato: Variáveis Químicas Importante nutriente para o crescimento de algas e plantas aquáticas superiores - eutrofização. Dentro do ciclo do nitrogênio, este elemento encontra-se entre várias formas e estados de oxidação. No meio aquático, uma das formas que este elemento pode se apresentar é como íon nitrato (NO 3- ), que é uma forma oxidada de nitrogênio. O nitrato em concentrações elevadas está associado à doença da metahemoglobinemia, que dificulta o transporte de oxigênio na corrente sanguínea de bebês. Origem natural: Por ser constituinte de proteínas, clorofila e outros compostos biológicos, o nitrogênio pode ser facilmente encontrado na natureza. Origem antropogênica: lançamento de despejos domésticos e industriais, excrementos de animais e fertilizantes.

15 Poluição difusa Seção de amostragem: Vazão x qualidade da água Registrador eletrônico Vertedor triangular ANA Régua linimétrica (Fonte: Seção de amostragem, São Martinho da Serra RS (Bonuma et al., 2008). Amostrador de nível ascendente ANA Poluição difusa Dificuldade para obtenção de amostras durante os eventos. Eventos foram noturnos. Condições de acesso e a distância até os pontos de amostragem. O ANA (Umezawa, 1979) consiste em uma série de garrafas, onde são acoplados 2 tubos em sifão, um para entrada da amostra e outro para saída do ar. Impede a recirculação da amostra. A coleta inicia no instante em que o NA chega ao bocal de tomada até atingir o ponto mais alto do sifão.

16 3/10/05 22:10 4/10/05 0:40 4/10/05 3:10 4/10/05 5:40 4/10/05 8:10 4/10/05 10:40 4/10/05 13:10 4/10/05 15:40 4/10/05 18:10 4/10/05 20:40 4/10/05 23:10 5/10/05 1:40 5/10/05 4:10 5/10/05 6:40 5/10/05 9:10 5/10/05 11:40 Avaliação da carga difusa Poluição difusa Hidrogramas Q(t); Polutogramas C(t); CME s; Curvas M(V); CARGA POLUENTE: CARGA = CQA x Q Descontado o valor da carga de base Carga total do evento Polutograma: Poluição difusa 27,00 24,00 21,00 18,00 15,00 12,00 9,00 6, Vazão (m³/s) Concentração SS (mg/l) 4000 Precipitação 3500 Vazão Sólidos Suspensos 3, ,00 0 Tempo (dia h:min)

17 Seminário Nacional de Gestão e Uso da Água IV Reunião de Estudos Ambientais II Encontro Nacional de Engenharia Hídrica MINICURSO MONITORAMENTO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS: 4 - Monitoramento da erosão e do transporte de sedimentos Eng. Civil Nadia Bernardi Bonumá Pelotas - RS Novembro de 2010 Processos erosivos Erosão: processo de desprendimento e arraste acelerado das partículas do solo causado pela água e pelo vento (BERTONI; LOMBARDI NETO, 1990). Foto: Minella

18 Etapas do processo erosivo: Processos erosivos energia da chuva e do escoamento energia do escoamento capacidade de transporte < carga transportada. Fonte: Adaptado de Minella, 2008 Formas de erosão: Entressulcos impacto das gotas de chuva, escoamento difuso; Processos erosivos BACIA HIDROGRÁFICA Sulcos - escoamento concentrado; Vossorocas - grandes concentrações de enxurrada e deslocamento de grandes massas de solo; Canais. Entressulcos Sulcos Canais

19 Processos erosivos Instabilidade das margens de canais em Iowa, EUA. Foto: Merten Modelagem da erosão do solo Processos erosivos Modelos matemáticos predizer e avaliar a erosão hídrica. USLE (Wischmeier & Smith, 1978): perda de solo f (erosividade, erodibilidade, comprimento de rampa, declividade, uso e manejo e práticas conservacionistas). Utilização de ferramentas de SIG cruzamento e análise espacial de dados instrumento de gestão ambiental. Integração de SIG s e modelos de erosão do solo nova tendência na pesquisa de erosão do solo (Qijiang et al, 2002).

20 Equação Universal de Perda de Solo (USLE): A = R K LS C P Processos erosivos Onde: A = erosão média anual (ton/ha); R = fator relacionado com a chuva (Erosividade); K = fator relacionado com o solo (Erodibilidade); LS = fatores relacionados com a topografia (L é o comprimento de rampa e S a declividade da vertente); C = fator relacionado com o uso do solo; P = fator relacionado com o manejo do solo. Sedimentos O sedimento presente no curso d'água é originado da erosão na bacia e da erosão no próprio leito e nas margens. São Martinho da Serra RS (Bonuma et al., 2008).

21 Produção de sedimentos VERTENTE PERDA DE SOLO DEPOSIÇÃO PRODUÇÃO DE SEDIMENTOS Produção de sedimentos = perda em solo que chega ao exutório da bacia = (perda de solo deposição) Produção de sedimentos Equação Universal de Perda de Solo Modificada (MUSLE, Williams, 1975): Sed = 89,6 (Q s q p ) 0,56 K LS C P Onde: Sed = produção de sedimentos (ton); Q s = escoamento de superfície (m 3 ); q p = taxa de escoamento de pico em (m 3 s -1 ); K = fator relacionado com o solo (Erodibilidade); LS = fatores relacionados com a topografia (L é o comprimento de rampa e S a declividade da vertente); C = fator relacionado com o uso do solo; P = fator relacionado com o manejo do solo.

22 Principais medidas sedimentometricas: Amostragem do material em suspensão; Amostragem do material de leito; Medidas diretas da descarga de fundo; Análises de laboratorio. Transporte de sedimentos Transporte de sedimentos Amostragem do material em suspensão: Amostradores de Nivel Ascendente e Descendente (Sangoi, 2007).

23 Transporte de sedimentos Amostragem do material em suspensão: Amostragem do material em suspensão: - Amostragem pontual Transporte de sedimentos Carvalho et al., 2000.

24 Transporte de sedimentos Descarga sólida em suspensão na amostragem pontual: Determinações pontuais ao longo de uma vertical por medição direta (turbidímetro, equipamento nuclear ou outro) ou indireta com amostragem de material e correspondente análise individual de cada amostra pontual. Descarga sólida em suspensão parcial: Descarga sólida em suspensão: q SS = 0,0864. c. v. p. l Q SS = qss Curva-chave de sedimentos: Transporte de sedimentos Paranhos & Paiva (2008)

25 Seminário Nacional de Gestão e Uso da Água IV Reunião de Estudos Ambientais II Encontro Nacional de Engenharia Hídrica MINICURSO MONITORAMENTO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS: 5 - Geoprocessamento aplicado a gestão de bacias hidrográficas Eng. Civil Nadia Bernardi Bonumá Pelotas - RS Novembro de 2010 Delimitação de bacias hidrográficas Fonte: Lencastre et al., 1992

26 Delimitação de bacias hidrográficas Fonte: Lencastre et al., 1992 Sistema de informações geográficas (SIG) SIGs x gestão de bacias hidrográficas: Geoprocessamento: utiliza técnicas matemáticas e computacionais para adquirir, posicionar e tratar dados e informações geográficas. SIG: sistema de suporte à decisão que integra dados referenciados espacialmente num ambiente de respostas a problemas (Cowen). Programa de SIG: projetado para fazer o computador pensar que é um mapa (Kennedy, 2006)

27 Sistema de informações geográficas (SIG) Exemplos de SIGs: SPRING: MapWindow: IDRISI: site do Centro de Recursos Idrisi da Ecologia UFRGS ArcGIS: Modelos topográficos globais Baixar dados dados topográficos globais: Fonte: Ruhoff, 2010.

28 Relevo e modelos digitais de elevação (MDE) Como criar um MDE usando ArcGIS? 1. Click com o botão direito do mouse sobre LAYERS PROPERTIES 2.Na janela DATA FRAME PROPERTIES selecione COORDINATED SYSTEMS. 3. No campo SELECT A COODENATE SYSTEM, selecione PREDEFINED Adicione o layer com as curvas de nivel (shape) Curvas de nivel Relevo e modelos digitais de elevação (MDE) Como criar um MDE usando ArcGIS? 1. Crie o TIN: 2. Adicione a ferramenta 3D ANALYST 3. Clique em 3D ANALYST / CREATE/MODIFY TIN / CREATE TIN FROM FEATURES / CHECK (V) THE RIGHT LAYER / OK 4. Converta TIN para raster (tingrid): 3D ANALYST / CONVERT / TIN TO RASTER 5. Renomeie o arquivo de saida (tingrid) = MDE MDE

29 Relevo e modelos digitais de elevação (MDE) Como delimitar a bacia a partir do MDE? Fonte: Monitoramento do uso do solo Mudanças de uso do solo impactos sobre o comportamento hidrológico, aporte de sedimentos e qualidade da água. Planejamento territorial diagnóstico do uso do solo. Brasil pais de dimensões continentais: carência de dados e informações (aerofotogrametria, topografia e cartografia). Geoprocessamento

30 Classificação de uso do solo Resposta espectral: Resposta de um material em termos de energia refletida e emitida pelo material. Cada material possui um comportamento ou assinatura espectral característico, que possibilita sua identificação numa imagem digital. Fonte: Collischonn, Classificação de uso do solo Classificação de imagens digitais de sensoriamento remoto: Associação de pontos de uma imagem a uma classe ou grupo: água, vegetação, solo, etc. Supervisionada: -Usuário fornece pistas para a classificação. Não supervisionada - Usuário não fornece pistas para a classificação. A classificação é realizada de forma completamente automática e deve ser verificada depois.

31 Classificação de uso do solo Classificação de imagens digitais de sensoriamento remoto: 1 2 Fonte: Collischonn, Classificação de uso do solo Classificação de imagens digitais de sensoriamento remoto: Fonte: Collischonn, 2010.

32 Perguntas e comentários Bibliografia básica BRASIL. Lei 9.433, de 08 de janeiro de que instituiu a Política Nacional de Recursos Hídricos, cria o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos. BONUMA, N.B.; GASTALDINI, M.C.C.G; PAIVA, J.B.D.de. Análise da Carga Difusa de Poluição Gerada por Atividades de Mineração. Revista Brasileira de Recursos Hídricos. Volume 13 n.3 Jul/Set 2008, CARVALHO, N.O. Hidrossedimentologia Prática. 2. Ed. Rio de Janeiro: Interciência, p. MEDEIROS, L.C.; FERREIRA, N.C.; FERREIRA, L.G. Avaliação de Modelos Digitais de Elevação para delimitação automática de bacias hidrográficas. Revista Brasileira de Cartografia. No 61/02, MOTA, S. Introdução a engenharia ambiental. 4. Ed. Rio de Janeiro: ABES, p. PAIVA, J.B.D. de; PAIVA, E.M.C.D. de. (Org.) Hidrologia Aplicada à Gestão de Pequenas Bacias Hidrográficas. Porto Alegre. ABRH p.

33 Bibliografia básica PARANHOS, R.M.; PAIVA, J.B.D. de. Avaliação de metodologia de estimativa de produção de sedimentos em uma pequena bacia rural de encosta. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 13, p. 7-18, PORTO, M.F.A.; PORTO, R.L.L. Gestão de bacias hidrográficas. Estudos avançados. 22 (63), PRUSKI, F.F.; AMORIM, R.S.S.; SILVA, D.D.; GRIEBELER, N.P.; SILVA, J.M.A. Conservação de solo e água: Práticas mecânicas para o controle da erosão hídrica. Viçosa: Ed. UFV, p. SPRING Introdução a Modelagem Numérica. Conceitos de Modelagem Numérica do Terreno. INPE Instituto de Pesquisas Espaciais. Disponível em: < em 10 dez TUCCI, C.E.M. (org). Hidrologia: Ciência e Aplicação. Porto Alegre. Editora da UFRGS e EDUSP ABRH p. VESTENA, L.R.; FILHO, G.L. Balanço hídrico da bacia do Rio Ernesto, Pitanga / PR Brasil. Terr@Plural, Ponta Grossa, 2 (2): , VON SPERLING. M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. Vol. 1. Editora da UFMG, Belo Horizonte-MG. 1996, 243 p.