IV-026 SIMULAÇÃO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO E DA TEMPERATURA NO RESERVATÓRIO DO ARROIO VACACAÍ-MIRIM UTILIZANDO O MODELO CE-QUAL-W2

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1 IV-026 SIMULAÇÃO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO E DA TEMPERATURA NO RESERVATÓRIO DO ARROIO VACACAÍ-MIRIM UTILIZANDO O MODELO CE-QUAL-W2 Maria do Carmo Cauduro Gastaldini (1) Engenheira Civil pela Universidade Federal de Santa Maria. Mestre e Doutora em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Professora Adjunta do FOTO Departamento de Hidráulica e Saneamento - Centro de Tecnologia - Universidade Federal de NÃO Santa Maria. Márcio Ferreira Paz DISPONIVEL Aluno do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria Bolsista de Iniciação Científica do PIBIC-CNPq. Fabiano Thomaz Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Santa Maria Maria Cláudia Nunes Kraemer Química Industrial, Aluna do Programa de Mestrado em Engenharia Civil Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental Universidade Federal de Santa Maria. Endereço (1) : Rua Appel, 655/303 Santa Maria RS CEP: Brasil Tel: (55) e- mail: mcarmo@safira.ct.ufsm.br. RESUMO Nos lagos e reservatórios profundos de clima tropical ocorre, normalmente, estratificação térmica no período de verão. A permanência ou semi-permanência da estratificação térmica determina, que a esta se superponham estratificações químicas e biológicas. O trabalho de modelagem matemática da qualidade da água, nestes corpos d água, está na dependência direta da modelagem da estrutura térmica. O modelo CE-QUAL-W2 é um modelo bidimensional desenvolvido pelo US Army Corps of Engineers. Este modelo permite a simulação das variações hidrodinâmicas e da qualidade da água ao longo dos eixos longitudinal e vertical de um corpo d água. O reservatório do Arroio Vacacaí-Mirim apresenta ciclos de estratificação térmica, que iniciam na primavera e acabam no outono. Realizou-se levantamentos de perfis de oxigênio dissolvido e temperatura no ponto de maior profundidade do reservatório do Arroio Vacacaí-Mirim, que foram utilizados na calibração do modelo CE-QUAL-W2. Os perfis de temperatura e oxigênio dissolvido foram satisfatoriamente previstos pelo modelo. PALAVRAS-CHAVE: Modelação Matemática, Qualidade da Água, Modelo CE-QUAL-W2, Estratificação de Reservatório. INTRODUÇÃO Nos lagos e reservatórios os problemas de qualidade da água diferem daqueles que ocorrem nos rios e estuários, devido a variação da escala temporal-espacial dos fenômenos, embora os elementos, que contribuem para a existência dos problemas, na maioria das vezes, sejam os mesmos. A estratificação térmica ocorre nos lagos e reservatórios quando a turbulência é insuficiente para destruir o aquecimento das camadas superiores. A conseqüência mais notável desse fenômeno diz respeito à qualidade da água, uma vez que o estabelecimento da estratificação produz reduções substanciais no transporte de massa na direção vertical, gerando situações bastante diferenciadas, no epilímnio e no hipolímnio. Portanto, o trabalho de modelagem matemática da qualidade da água nos lagos e reservatórios estará na dependência direta da modelagem de sua estrutura térmica. Dentre as variáveis de qualidade da água, a que pode fornecer informações mais importantes sobre o estado dos sistemas aquáticos, por si só, é o oxigênio dissolvido. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 O objetivo deste trabalho é simular os perfis verticais da temperatura e do oxigênio dissolvido no ponto de maior profundidade do reservatório do arroio Vacacaí-Mirim utilizando o modelo CE-QUAL-W2. O RESERVATÓRIO DO ARROIO VACACAÍ-MIRIM O reservatório do Arroio Vacacaí-Mirim, situado na cidade de Santa Maria, centro geográfico do Estado do Rio Grande do Sul, situado nas coordenadas geográficas de latitude sul e de longitude oeste. A bacia é caracterizada por área em urbanização na margem direita do reservatório e área rural na margem esquerda. Suas principais utilizações atuais são abastecimento doméstico, uma vez que é responsável por 40% do abastecimento de água de Santa Maria, e recreação de contato primário, pois estão situados nas suas margens dois clubes de lazer. A figura 1 mostra uma fotografia aérea do reservatório do Arroio Vacacaí- Mirim e bacia hidrográfica contribuinte. Na margem esquerda, próximo à barragem estão situados dois clubes de campo, ambos possuem sistemas de tratamento dos efluentes líquidos gerados, não causando até o momento, maiores problemas de poluição. As áreas à montante destes, se caracterizam por pequenas propriedades com atividades agrícolas e pecuárias. Os efluentes destas atividades, carreados pelas chuvas, são lançados, in natura, no reservatório. A água começa a apresentar sinais de poluição visual. Existe uma proliferação acentuada de aguapés, que aumenta principalmente nos meses de verão. Próximo a afluência do rio principal, à montante, está se desenvolvendo uma área com ocupações clandestinas. Essas invasões têm causado preocupações, uma vez que as pessoas que habitam estes locais consomem a água do reservatório e córregos afluentes, sem tratamento, e lançam os seus dejetos nas proximidades, possuindo um nível de vida bastante precário, do ponto de vista sanitário. A água apresenta-se visualmente poluída com odor desagradável. A margem direita do reservatório é caracterizada por área urbana com médio grau de ocupação, ruas sem calçamento e urbanização desordenada sem sistema público de coleta de esgotos. Próximo a barragem está se desenvolvendo uma zona de invasões com moradias precárias e sem infraestrutura sanitária. O reservatório do Arroio Vacacaí-Mirim possui área de drenagem de 0,84 km 2 e perímetro de 6,4 km. A crista do vertedor está situada na cota 132 m. Possui profundidade máxima de 15 m e profundidade média de 4,5 m. O volume de armazenamento, avaliado em batimetria realizada em abril de 1997 é de 3,8 x 10 6 m 3 (PAIVA et al, 1998), possuindo um tempo de detenção médio de 87 dias (GASTALDINI et al, 2000). O MODELO CE-QUAL-W2 Dos modelos estudados o que melhor se adapta as características do reservatório do arroio Vacacaí-Mirim é o CE-QUAL-W2, que é um modelo bidimensional com médias laterais, desenvolvido pelo US Army Corps of Engineers, que combina diretamente os algoritmos da hidrodinâmica e da qualidade da água. O modelo permite a simulação das variações hidrodinâmicas e da qualidade da água ao longo dos eixos longitudinal e vertical de um corpo d água. É apropriado para aplicações onde as principais variações da qualidade da água ocorram ao longo desses eixos, e as variações laterais são pequenas. O conceito da homogeneidade lateral pode ser apropriado para corpos d água, particularmente longos, profundos e sistemas relativamente pequenos. O CE-QUAL-W2 descreve distribuições verticais e longitudinais da energia térmica variáveis com o tempo e seleciona os principais materiais biológicos e químicos num corpo d água. O modelo é baseado na solução por diferenças finitas das equações com médias laterais do movimento de fluídos incluindo: (1) A equação de onda da superfície livre; (2) pressão hidrostática; (3) momento horizontal ; (4) continuidade ; (5) transporte de constituintes; e (6) uma equação de estado relatando a densidade e constituintes incluindo a temperatura e as concentrações de sólidos. O CE-QUAL-W2 tem a capacidade de incluir condições de contorno variáveis no tempo, múltiplos trechos, afluentes e retiradas de água laterais, e outras características, que permitem a aplicação a uma variedade de situações. O modelo prevê a temperatura média para cada célula, baseado nos afluentes, efluentes, radiação solar, e na troca de calor da superfície. Uma aproximação da temperatura de equilíbrio é usada para descrever a troca de calor da superfície (COLE et al (1995)). A versão utilizada permite simular mais de 20 constituintes da qualidade da água ( traçadores conservativos, sólidos dissolvidos totais, ou salinidade, coliformes, sólidos inorgânicos em suspensão, matéria orgânica 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 biodegradável, matéria orgânica recalcitrante, um grupo de algas, detritos, fósforo, amônia, nitrito-nitrato, oxigênio dissolvido, ferro, sedimentos, alcalinidade, carbono inorgânico total, ph, espécies carbonatadas), além da temperatura, da densidade. Os constituintes de qualidade da água podem ser omitidos onde eles não forem requeridos, fornecendo flexibilidade na aplicação do modelo. O CE-QUAL-W2 faz o cômputo dos termos do transporte advectivo através da solução das equações hidrodinâmicas. O coeficiente de difusão longitudinal é invariável no tempo e no espaço. O modelo também faz o cômputo do coeficiente de difusão vertical, do gradiente das velocidades longitudinais e das densidades da água. Figura 1: Vista aérea do Reservatório do Arroio Vacacaí-Mirim e bacia hidrográfica contribuinte (foto: Paulo Carvalho) PERFIL VERTICAL DE TEMPERATURA E OXIGÊNIO DISSOLVIDO A caracterização da qualidade da água na direção vertical do Reservatório do Arroio Vacacaí-Mirim foi executada utilizando-se medidor portátil de Oxigênio Dissolvido e Temperatura da Yellow Springs, modelo 58, sonda O aparelho possui um cabo de amostragem de 30 m, que permite traçar o perfil destes dois constituintes em profundidades variáveis. Possui um alcance na medição de temperatura de 5 C a 45 C com precisão de 0,1 C, e de 0 a 20 mg/l para o oxigênio dissolvido com precisão de 0,03mg/l. O perfil foi levantado no ponto de maior profundidade do reservatório. Observou-se que nos meses de inverno as águas do reservatório apresentam-se desestratificadas com variação de temperatura de no máximo 2 C da superfície ao fundo. As concentrações de oxigênio dissolvido apresentam apenas leve abaixamento da superfície até profundidades próximas de 10 m. A 1 m do fundo ocorre anaerobiose. Na primavera começa a surgir a termoclina, que desaparece somente no outono. A termoclina surge a profundidades de 4 a 5 m da superfície da água, apresentando variação da temperatura de aproximadamente 6 C. O oxigênio dissolvido apresenta-se próximo da saturação somente a profundidades até 3 m, caindo a valores próximos de 4 mg/l até 1 m do fundo, onde ocorre anaerobiose. No verão o reservatório ABES Trabalhos Técnicos 3

4 apresenta-se completamente estratificado, as variações de temperatura entre epilíminio e hipolíminio alcançaram até 11 C e as concentrações de oxigênio dissolvido atingiram valores próximos de 0 à partir de 5 m de profundidade, aumentando a região anaeróbia. CALIBRAÇÃO DO MODELO PARA PREVISÃO DO PERFIL VERTICAL DO OD E DA TEMPERATURA O modelo CE-QUAL-W2 foi calibrado utilizando-se os resultados experimentais dos perfis de oxigênio e temperatura levantados nos dias 17/09/1998, 12/11/1998 e 22/01/1999. Os dados meteorológicos diários como temperatura do ar, temperatura do ponto de orvalho, direção e velocidade do vento e nebulosidade foram obtidos de estação meteorológica da UFSM situada cerca de 20 km do reservatório. Vazões médias diárias do afluente principal e batimetria do reservatório foram obtidas de Branco(1998) e Paiva et al (1998), respectivamente. As vazões efluentes ao reservatório foram fornecidas pela Companhia Riograndense de Saneamento (CORSAN). O reservatório do Arroio Vacacaí-Mirim com 1858 m de comprimento, foi dividido em 10 trechos longitudinais de 155 m cada um mais quatro trechos de 77 m de comprimento; e 15 camadas verticais de 1 metro de profundidade. As células ativas na malha computacional ficaram em torno de 131 células. Os coefientes hidráulicos utilizados na simulação são apresentados na tabela 1. Tabela 1: Coeficientes do modelo que afetam a temperatura COEFICIENTE VALOR ADOTADO Coeficiente de viscosidade turbulenta longitudinal 1m 2 /s Coeficiente de difusão turbulenta longitudinal 1 m 2 /s Coeficiente de Chezy 70 m 1/2 /s Coeficiente de abrigo do vento 0,85 Para o cálculo das concentrações de oxigênio dissolvido foram considerados: o acréscimo do OD pela reaeração atmosférica e o seu decaimento através da oxidação da matéria orgânica. Os processos de fotossíntese e respiração das algas e a nitrificação não foram considerados devido a não se dispor de dados destes elementos. Os perfis de oxigênio dissolvido e temperatura foram simulados num intervalo de tempo de 127 dias entre os dias 17/09/1998 e 22/01/1999. As figuras 2 e 3 mostram os perfis verticais da temperatura e do oxigênio dissolvido, respectivamente, para o dia 17/09/1998, dia inicial da simulação, no ponto de maior profundidade do reservatório, situado na passarela. Observa-se uma boa concordância entre os valores calculados e observados. Nesta data o reservatório apresentava ausência de estratificação térmica com temperatura da superfície ao fundo variando de 17,9 a 15,5 C e oxigênio dissolvido variando de 11,2 a 4,5 mg/l. A comparação entre os resultados observados e calculados pelo modelo para o dia 12/11/1998 são apresentados nas figuras 4 e 5. A temperatura variou entre 22 C, na superfície, e 17 C, no fundo. O modelo mostrou uma estratificação térmica menor do que a observada. As concentrações do oxigênio dissolvido, mostradas na figura 5 sofreram uma variação entre 9 mg/l, na superfície, chegando a condições anaeróbias a 8 m de profundidade. As previsões do modelo são bastante próximas dos valores observados para o oxigênio dissolvido. A maior discrepância entre os valores observados e calculados pelo modelo situa-se a uma profundidade até 1 m. Nesta região a fotossíntese das algas proporciona valores de oxigênio dissolvido observados superiores a saturação nesta temperatura. Estas concentrações não foram previstas pelo modelo devido não se dispor de dados referentes a concentrações de algas. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 As simulações da temperatura e do oxigênio dissolvido, correspondentes ao dia 22/01/1999, são mostradas nas figuras 6 e 7. Nesta data a estratificação térmica torna-se mais intensa com temperaturas variando de 28 C, na superfície, a 18,6 C, no fundo do reservatório. De forma semelhante ao observado na figura 4, a estratificação térmica prevista pelo modelo é menos intensa. A comparação entre as figuras 4 e 6 mostra que o modelo tem maior limitação na previsão do aquecimento da superfície da água. A posição da termoclina e as temperaturas em maiores profundidades são satisfatoriamente previstas. As concentrações de oxigênio dissolvido observadas para o dia 22/01/1999 mostram valores de 7,5 mg/l, na superfície da água, chegando a condições de anaerobiose a 5 m de profundidade. Estas concentrações de oxigênio dissolvido apresentam boas previsões pelo modelo. A ocorrência de concentrações maiores de oxigênio dissolvido na superfície do que nas maiores profundidades são, também observadas nesta simulação, analogamente ao mostrado na figura 5. 30,0 Temperatura (ºC) 25,0 20,0 15,0 Figura 2: Perfil da temperatura na passarela do reservatório simulação dia 17/09/1998 ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Oxigênio Dissolvido (mg/l) 12,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Figura 3: Perfil do oxigênio dissolvido na passarela do reservatório simulação dia 17/09/ ,0 Temperatura (ºC) 25,0 20,0 15,0 Figura 4: Perfil da temperatura na passarela do reservatório simulação dia 12/11/ ABES Trabalhos Técnicos

7 Oxigênio Dissolvido (mg/l) 12,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Figura 5: Perfil do oxigênio dissolvido na passarela do reservatório simulação dia 12/11/ ,0 Temperatura (ºC) 25,0 20,0 15,0 Figura 6: Perfil da temperatura na passarela do reservatório simulação dia 22/01/1999 ABES Trabalhos Técnicos 7

8 Oxigênio Dissolvido (mg/l) 12,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Figura 7: Perfil do oxigênio dissolvido na passarela do reservatório simulação dia 22/01/1999 CONCLUSÕES Ciclos de estratificação térmica e do oxigênio dissolvido foram levantados no ponto de maior profundidade do reservatório do Arroio Vacacaí-Mirim. Observou-se que nos meses de inverno as águas do reservatório apresentam-se desestratificadas com variação de temperatura de no máximo 2 C da superfície ao fundo; e concentrações de oxigênio dissolvido aproximadamente uniformes. Na primavera começa a surgir a termoclina, que desaparece somente no outono. No verão o reservatório apresenta-se completamente estratificado, com variações de temperatura, da superfície ao fundo, alcançando valores de até 11 C e ocorrência de condições anaeróbias a partir de 5 m de profundidade. Para a simulação dos perfis verticais de temperatura e oxigênio dissolvido foi utilizado o modelo bidimensional com médias laterais, CE-QUAL-W2, desenvolvido pelo US Army Corps of Engineers, que combina diretamente os algoritmos da hidrodinâmica e da qualidade da água. O intervalo de simulação foi de 127 dias, iniciando na primavera, dia 17/09/1998 e acabando no verão, dia 22/01/1999. Com relação a previsão da temperatura, verificou-se que o modelo prevê razoavelmente os valores observados. No período de primavera, quando não ocorreu estratificação térmica no reservatório, a previsão foi praticamente perfeita. No verão, em que a estratificação é acentuada, o modelo apresentou dificuldades de simular o aquecimento das camadas superiores de água do reservatório, no entanto a posição da termoclina e as temperaturas nas maiores profundidades se aproximaram bastante dos valores observados. As previsões da concentração de oxigênio dissolvido foram melhores previstas pelo modelo CE-QUAL-W2, do que a temperatura. Este conseguiu mostrar, com boa precisão, a profundidade da camada aeróbia e os valores de OD. A maior discrepância entre os valores observados e calculados pelo modelo situa-se a uma profundidade até 1 m. Nesta região a fotossíntese das algas proporciona valores de oxigênio dissolvido observados superiores a saturação nesta temperatura. Este fato ocorre no verão, período de floração das algas. As concentrações mais 8 ABES Trabalhos Técnicos

9 elevadas não foram suficientemente previstas pelo modelo devido não se dispor de dados referentes a concentrações de algas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BRANCO, N. Avaliação da Produção de Sedimentos de Eventos Chuvosos em uma Pequena Bacia Hidrográfica Rural de Encosta. Santa Maria. Dissertação de Mestrado. DER/CCR/UFSM, 119p CHAPRA, S.C. Surface Water-Quality Modeling. New York, The McGraw-Hill Companies, INC., 836 p., COLE, T.M., BUCHAK, E.M. CE-QUAL-W2: A two- dimensional, laterally averaged, Hidrodynamic and Water Quality Model, Version 2.0. Instruction Report EL-95-, US Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS., GASTALDINI, M.C.C., PAIVA, E.M.C.D. & PAIVA, J.B.D. Influência das Características Hidrológicas na Avaliação da Qualidade da Água do Reservatório do Arroio Vacacaí-Mirim XXVII CONGRESSO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, Anais, Porto Alegre, JAMES, A. Mathematical Models in Water Pollution Control, New York, John Wiley, 420 p., JORGENSEN, S.E. Fundamentals of Ecological Modelling, Amsterdam, Elsevier Science Publishers, 386 p., NOGUEIRA, V.P.Q. Qualidade da Água em Lagos e Reservatórios. in: Hidrologia Ambiental. Edusp/ABRH: Coleção ABRH de Recursos Hídricos, São Paulo, v. 3, 414 p., PAIVA,E.M.C.D.; PAIVA,J.B.D.; FORNO,G.L.D. et al Estimativa do Assoreamento do Reservatório do DNOS, em Santa Maria, RS. CONGRESO NACIONAL DEL AGUA E II SIMPÓSIO DE RECURSOS HIDRICOS DEL CONO SUR, Anais, Santa Fé. v.3, p , STEFAN, H.G., AMBROSE, R.B. & DORTCH, M.S. Formulation of Water Quality Models for Streams, Lakes and Reservoirs: Modeler s Perspective - Department of the Army US Corps of Engineers, Washington., ABES Trabalhos Técnicos 9