0 o CONGRESSO RASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AIENTAL AVALIAÇÃO DO IPACTO DA RUPTURA DO EISSÁRIO SUFLUVIAL DO RIO NEGRO E ANAUS Luiz Carlos Helou () Eng. Civil pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, estre pelo Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Gerente da Divisão de Engenharia de Operação do Departamento de Tratamento de Esgotos Oeste da Companhia de Saneamento ásico de São Paulo - SAESP. Gisela Coelho Nascimento Helou Eng. Civil formado pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, estre em Engenharia Civil pelo Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Consultora independente. Endereço () : Rua Visconde de Ouro Preto, 5 - apto. 7 - São Paulo - SP - CEP: 0303-060 - rasil - Tel. (0) 58-034 - Fax (0) 795-563 - e-mail: helou@originet.com.br RESUO A cidade de anaus possui um emissário subfluvial de esgotos, projetado para conduzir m 3 /s através de uma tubulação de 000 mm de diâmetro ao longo de 304 m até o centro do Rio Negro onde deveria ser despejado a uma profundidade de 36 m. Contudo, entre o projeto e construção, realizados na década de 970 e a intenção de utilização em 994, parte do emissário foi perdida por uma ruptura que deixou o emissário com apenas 460 m e sem os difusores projetados. O presente trabalho visou verificar o impacto da utilização do emissário, da forma em que se encontrava, na qualidade de água. Para tanto utilizou-se duas aproximações: a do campo próximo, onde se aplicou a teoria de jatos e plumas e a do campo distante onde foi aplicado o modelo QUALE. A conclusão foi de que o único parâmetro que excede as especificações da RESOLUÇÃO CONAA 0 para rios de classe foi o de coliformes fecais. PALAVRAS-CHAVE: Qualidade de Água, Jatos e Plumas, odelos de Qualidade de Água. INTRODUÇÃO odelos de qualidade de água têm sido amplamente empregados para a avaliação de impactos ambientais A grande maioria destes modelos assume que há mistura instantânea e completa no ponto de lançamento. Esta simplificação só pode ser assumida se as vazões envolvidas apresentam a mesma ordem de grandeza. No Rio Negro, com suas vazões que atingem facilmente a casa dos 60.000 m 3 /s, estas simplificações perdem sentido, tornando-se indispensável a análise do campo próximo. 0 o Congresso rasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 337
0 o CONGRESSO RASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AIENTAL No presente trabalho, o problema da diluição dos esgotos do emissário subfluvial do Rio Negro será abordado dentro destas duas visões distintas, dadas as suas dimensões. Assim, será analisado o comportamento de jato para o campo próximo e o comportamento de plug-flow para o campo distante. EQUACIONAENTO Jatos podem ser definidos como sendo a descarga de um fluido em um grande corpo do mesmo fluido ou fluido similar, através de orifício ou fenda. Plumas são fluxos que dependem de gradientes de densidade para que possam se movimentar. Jatos possuem quantidade de movimento inicial diferente de zero e podem ter ou não gradientes de densidade. A análise de jatos depende de três classes de parâmetros: - Características do Jato: velocidade, nível de turbulência, vazão, quantidade de movimento e propriedades do constituinte. - Características do ambiente: nível de turbulência, correntes, estratificação de velocidades. - Fatores geométricos: forma do jato, orientação, proximidade de jatos adjacentes e contornos sólidos, posição do jato em relação aos contornos e à vertical e relação com a superfície livre. Definições - Fluxo de assa ρµ = ρwda A onde: ρ = massa específica (kg/m 3 ) µ = vazão do jato (m 3 /s) w = velocidade do jato (m/s) A = área da seção transversal do jato (m ) - Fluxo da Quantidade de ovimento ρ. m= ρ. w. da A onde: m = fluxo específico da quantidade de movimento (m 4 /s ) - Fluxo de empuxo ρβ = g. ρ. w. da A onde: ρ = diferença entre as massas específicas do fluido ambiente e do fluido do jato (kg/m 3 ) β = fluxo específico de empuxo ( m 4 /s 3 ) 0 o Congresso rasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 338
ρ g. g' ρ = = aceleração gravitacional efetiva (m/s ) - Fluxo inicial de empuxo α. gp. ρ. = c p onde: = fluxo inicial de empuxo (m 4 /s 3 ) P = fluxo térmico induzido por fonte de calor (J/s) c p = calor específico a pressão constante (J/kg o C) α = coeficiente volumétrico de expansão térmica ( o C - ) 0 o CONGRESSO RASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AIENTAL Esta relação representa uma equivalência entre o fluxo de energia térmica e o gradiente de massa específica, estabelecendo uma relação entre a temperatura e a massa específica. ρo = g.( ). Q ρ com: ρ o = diferença de massa específica entre o fluido receptor e o fluido do jato (kg/m 3 ) Q = vazão inicial do jato (m 3 /s) - Fluxo inicial de quantidade de movimento =Q.w 0 (m 4 /s ) com w 0 = velocidade inicial do jato (m/s) Q A escala característica no caso de jatos simples é dada por l q =, que é a relação entre as grandezas que interferem no escoamento. Para plumas puras as grandezas que interferem no escoamento são o fluxo de empuxo, a distância z e a viscosidade ν do fluido. Aliando-se jatos simples e plumas, tem-se os jatos flutuantes cujas escalas características são l q e l m, este último definido por l m = 3 4 l. A relação entre as estas escalas, l m q, fornece o parâmetro adimensional R o (número de Richardson do jato). Uma vez que o número de Richardson para plumas é constante e vale 0,557 (Fisher, 980), este é o valor a partir do qual o jato adquire um comportamento de pluma. Considerando-se agora o campo de velocidades do ambiente, U, e definindo-se as escalas z m = e z =, como as escalas características de curvatura para jatos e plumas, 3 U U respectivamente, temos que: 0 o Congresso rasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 339
0 o CONGRESSO RASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AIENTAL Se z m < z e z m não é muito pequeno, o escoamento inicial será de jato até que z seja da ordem de l m, quando passam a dominar os gradientes de densidade e o escoamento assume um comportamento de pluma. A partir de z = z a trajetória do escoamento tornase curva por força da influência da corrente do ambiente. Se z m > z, o fluxo de empuxo é baixo e o escoamento inicia-se como jato, a trajetória torna-se curva a partir de z = z e assume um comportamento de pluma a partir de m 3 z = = z C U (comprimento característico de curvatura). Para este caso tem-se as seguintes equações para o escoamento. Tabela : Equações adimensionais para cálculo de jatos em ambientes com campo de velocidades. Variável Adimensional Distância Horizontal ξ Elevação vertical ζ Diluição S ξ = x zm z m > z C C z C ζ = zm C C µ U D C S = 3 C 6 3 Onde C, C e D são constantes que variam com a característica do escoamento. Fisher (980) fornece as seguintes faixas de variação para estes parâmetros: Tabela : Coeficientes das equações de jatos em ambientes com campo de velocidades. Constante Faixa de variação C.8 a.3 C.44 a. D ~.4 Fonte: Fisher (980) APLICAÇÃO Foram feitos dois cenários envolvendo duas etapas do projeto. Para a primeira etapa considerou-se uma vazão de m 3/ /s e para a segunda etapa m 3 /s. Ambas as vazões serão transportadas através de uma tubulação de m de diâmetro. Considerou-se a velocidade do Rio Negro como sendo 0,8 m/s e os cálculos foram feitos para uma temperatura da água de 8 0 C (média anual) e do esgoto de 30 0 C. 0 o Congresso rasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 340
0 o CONGRESSO RASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AIENTAL Tabela 3 - Grandezas do escoamento para vazões de esgoto de e m 3 /s. Grandeza Equação Unidade Q=m 3 /s Q=m 3 /s Empuxo = ρ m 4 /s 3 0.006 0,0 gq ρ 0 Número de Richardson do jato R Q adimensional 0.055 0,074 = 5 4 Escala característica de Q m 0.886 0,443 comprimento lq = 34 Escala característica de m 5.47 3,3 quantidade de movimento lm = Comprimento característico m.4 m,8 de jato zm = U Comprimento característico m 0.0 m 0,0 de pluma z = U 3 Comprimento característico de curvatura zc = 3 m 6.96 m 4,34 U Em ambos os casos o comportamento do escoamento será sempre de jato já que z < l q < z m < z c < l m,. Foram utilizadas as equações da Tabela que forneceram valores constantes da Tabela 4 para a diluição. Tabela 4: Valores para diluição média, de acordo com o cenário e a distância à fonte. Q= Q= Distância m 3 /s m 3 /s (m) S média S média 00 40 73 00 30 9 500 443 30 000 77 377 Considerando-se os valores de literatura [6] (etcalf & Eddy), para DO, com concentração média de 00 mg/l, de Nitrogênio Amoniacal de 5 mg/l e de Fósforo Total de 0 mg/l, ter-se-á no ponto km a jusante as seguintes concentrações máximas no jato (o caso mais desfavorável no centro do jato), para a região de afloramento do jato. Tabela 5: Concentrações iniciais e finais (região de afloramento do jato). Constituinte Q= m 3 /s Q= m 3 /s Concentração Concentração a 4 km Concentração a 500m Inicial (mg/l) (mg/l) (mg/l) DO 00 0.5 0,87 N amoniacal 5 0.8 0, P total 0 0.007 0,04 0 o Congresso rasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 34
0 o CONGRESSO RASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AIENTAL As restrições impostas pela legislação (Resolução CONAA 0 / 86 []) estabelece para classe, DO 5 de até 5 mg/l, P (total) de 0.05 mg/l P, sendo que para este tipo de classe não se estabeleceu limites para nitrogênio amoniacal. Para efeito de comparação, tomouse limite de classe 3, de.0 mg/l, muito superior ao obtido acima. Verifica-se que os valores atingidos quando do afloramento do jato, são muito inferiores aos impostos pela legislação, á exceção do fósforo total para a situação de final de plano. Estes valores foram obtidos sem a consideração dos termos de decaimento dos constituintes em questão. A simples consideração dos mesmos, tornaria a diluição ainda maior e consequentemente parâmetros ainda mais baixos que os apresentados acima. As concentrações de fósforo são preocupantes no sentido de que as concentrações para a vazão de m 3 /s são relativamente altas, embora localizadas e situadas em um rio, onde geralmente não ocorrem processos de eutrofização. O decaimento exponencial de coliformes é dado por: N = N 0 K exp U x Thomann e ueller (987) [7], recomendam adotar para o coeficiente de decaimento K de coliformes a seguinte expressão: K ( T ) = K (0)(.07) ( T 0) Adotando para uma primeira estimativa K (0) um valor médio de. d -. o que resulta, em primeira instância numa mortalidade da ordem de 5% a 4 km do local de lançamento. onde o jato, em tese, atingiria a superfície livre. Considerando-se, ainda, de acordo com etcalf & Eddy [6], que cada pessoa produz entre 00 e 400 bilhões de coliformes por dia, se for tomado o valor médio de 50 bilhões de coliformes por dia, a vazão correspondente a m 3 /s, terá uma concentração média de 8,6 0 7 coliformes / 00 ml. A Tabela 6 mostra a concentração de coliformes no ponto de afloramento. Tabela 6: Concentrações de coliformes fecais inicial e na região de afloramento do jato. Concentração Q= m 3 /s Q= m 3 /s Constituinte Inicial (NP/00ml) Concentração a 4 km (NP/00ml) Concentração a 500m (NP/00ml) Coliformes fecais 8,7. 0 7 8. 0 3 3,7. 0 4 Estes valores são superiores aos preconizados pela RESOLUÇÃO CONAA 0/86 que prevê valores de 000 NP/00 ml para rios de classe. Contudo, a área atingida por estas altas concentrações não chegam a atingir 3% da área da seção transversal do rio, ficando a contaminação localizada no centro. 0 o Congresso rasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 34
0 o CONGRESSO RASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AIENTAL Tomando-se por base, as análises anteriores, feitas sob a ótica do near field, que utilizou a teoria de jatos e plumas, e utilizando-se os valores de diluição e vazão do jato a 4 km do ponto de despejo, foi rodado o modelo matemático QUALE. O modelo matemático, QUALE é um pacote de programas largamente utilizado para simulação de qualidade de água em rios. Sua última versão possibilita a análise de até 5 constituintes simultâneos, desde que se assuma mistura completa (vertical e horizontal) e garanta-se o regime permanente. Este modelo foi inicialmente desenvolvido por F. D. ash and Associates e Texas Water Development oard em 970. Em 97, a Water Resources Engineers criou a versão QUALII, e vem sendo atualizado pela EPA s Center for Water Quality odeling. Existem algumas interfaces gráficas desenvolvidas para facilitar a entrada e saída de dados em ambiente Windows. Na aplicação do modelo não foi considerado o ciclo do Nitrogênio nem o do Fósforo, pois a simples diluição destes constituintes deixa o corpo d água em situação muito favorável em relação à Resolução CONAA 0 / 86, já que o modelo considera mistura completa na seção de lançamento. Para efeito de análise, a DO foi majorada para um valor de 5 mg/l, como forma de se verificar seu decaimento ao longo do rio. Verificou-se que não há aumento na DO do rio após seu lançamento, devido a sua vazão incomparavelmente maior que a do efluente. (um insignificante acréscimo de 0.07 mg/l, inferior à precisão do teste). Quanto ao oxigênio dissolvido, verificou-se um pequeno decréscimo de 0.5% em sua concentração, não representando alteração sensível ou significativa. Já quanto aos níveis de coliformes fecais, o modelo enfatiza a necessidade de um pré tratamento, no sentido de se aumentar a taxa de mortalidade destes coliformes. CONCLUSÕES E RECOENDAÇÕES O emissário possui cerca de 40 furos ao longo de seu comprimento, concentrados nas região da válvula de controle existente, junto à margem. Pelo fato de se ter um número elevado de coliformes, recomenda-se o tamponamento destes furos. De maneira global, não haverá alterações significativas nos padrões sanitários do rio, excetuando-se os níveis de coliformes. Assim sendo, enfatiza-se novamente a necessidade de um pré-tratamento, de forma a reduzir o número de coliformes final, seja aumentando a sua taxa de mortalidade, seja removendo previamente estes coliformes. REFERÊNCIAS ILIOGRÁFICAS. CETES- Legislação Federal - Controle da Poluição Ambiental, Série Documentos, CETES, 997.. Chapra, S. Stream Water Quality odeling with QUALEU, University of Colorado, oulder, 38 p., 994. 3. Doneker, R. L. & Jirka, G.H., Expert System for ixing Zones Analysis and Design of Pollutant Discharges, Journal of Water Resources Planning and anagement, vol. 7, n. 6, ASCE, nov./dec. 99. 4. Fisher,. H. et al. ixing in Inland and Coastal Waters, Academic Press, N. York, 483 p., 980. 5. Jirka, G. H. & Doneker, R. L. Hydrodynamic Classification of Sumerged Single-Port Discharges, Journal od Hydraulic Engineering vol. 8, n., ASCE, Jan/99. 0 o Congresso rasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 343
0 o CONGRESSO RASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AIENTAL 6. etcalf & Eddy, Wasteater Engineering, cgrall Hill, N. York, 5 p, 994. 7. Thomann, R. V. & ueller, J. A., Principles of Surface Water Quality odeling and Control, Harper and Row Publishers, N. York, 644 p.,987. 0 o Congresso rasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 344