qualidade da agua em rios

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1
QUALIDADE DA 
ÁGUA EM RIOS
Caracterização, processos e modelagem
Características Principais
� FÍSICAS
� Seção transversal: largura e profundidade
� Declividade, rugosidade
� Velocidade
� Vazão
� Característica de mistura (DISPERSÃO)
� Temperatura
Características Principais
� QUÍMICAS
� Variação do teor de oxigênio dissolvido
� pH
� Acidez
� Alcalinidade
� Sólidos dissolvidos totais
� Tóxicos 
Características Principais
� BIOLÓGICAS
� Bactérias e Vírus
� Peixes
� Macrófitas
� População bentônica
2
Modelo Simplificado de 
Qualidade da Água em 
Rios
O Decaimento da Matéria Orgânica
BALANÇO DE OXIGÊNIO 
DISSOLVIDO
� o teor de oxigênio dissolvido é o mais importante fator para a 
manutenção da vida aquática
� Fontes de produção de oxigênio
� reaeração atmosférica
� produção fotossintética
� Fontes de consumo de oxigênio
� oxidação da matéria carbonácea
� oxidação da matéria nitrogenada
� oxidação do material do sedimento
� respiração
Critérios para Oxigênio Dissolvido
VALORES MÍNIMOS PARA A CONCENTRAÇÃO DE 
OXIGÊNIO DISSOLVIDO (mg/l)
3436mortalidade 
aguda
4558impacto 
moderado
66,5811sem 
impacto
organismos 
adultos
organismos 
jovens
organismos 
adultos
organismos 
jovens
Água QuenteÁgua Fria
Impacto
Padrões para OD e DBO na 
legislação brasileira
� Resolução n.357/05
3,06,0a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento simplificado;
b) à proteção das comunidades aquáticas;
c) à recreação de contato primário; 
d) à irrigação de hortaliças que são consumidas cruas...
e) à proteção das comunidades aquáticas em Terras Indígenas
1
Cond.
Naturais
Cond.
Naturais
a) ao abastecimento para consumo humano, com desinfecção;
b) à preservação do equilíbrio natural das comunidades 
aquáticas;
c) à preservação dos ambientes aquáticos em unidades de 
conservação de proteção integral
Especial
DBO 
(mg/l)
OD
(mg/l)
UsoClasse
3
Padrões para OD e DBO na 
legislação brasileira
� Resolução n.357/05
s/l2,0a) à navegação; b) à harmonia paisagística.4
10,04,0a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento convencional ou avançado;
b) à irrigação de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras;
c) à pesca amadora;
d) à recreação de contato secundário; 
e) à dessedentação de animais
3
5,05,0a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento convencional;
b) à proteção das comunidades aquáticas;
c) à recreação de contato primário
d) à irrigação de hortaliças, plantas frutíferas e de parques, 
jardins, campos de esporte e lazer
e) à aqüicultura e à atividade de pesca
2
DBO 
(mg/l)
OD
(mg/l)
UsoClasse O Impacto dos 
Lançamentos de Matéria
Orgânica
Curva de Depressão de Oxigênio Dissolvido
DBO
0
50
100
150
200
250
300
0 5 10 15
tempo
D
B
O
decaimento
da DBO
consumo
de OD
DBO reman
no 5. dia
DBO exercida
até o 5.dia
DBO última
DBO exercida = DBO última – DBO remanescente
4
Decaimento da Matéria Orgânica
L = demanda remanescente, ou não exercida, mg/l
k1 = coeficiente de decaimento, 1/dia
t = tempo, dias
����Fração de DBO remanescente ≈≈≈≈ e-k1.t
DBOr = DBOu . e-k1.t
Remanescente Total ou última 
LK
dt
dL
.
1
−=
Lk
dt
dL
1−=
Relação entre DBO5 e DBOúltima
DBO5 - demanda já exercida até o 5 dia
DBOt= DBOu-DBOr
DBOt=DBOu-(DBOu e 
–k1t)
DBOt= DBOu (1- e
-k1t)
rut DBODBODBO −= rut DBODBODBO −=
tk
t
u
e
DBODBO
11 −−
= 5
5
11 ku e
DBODBO
−
−
=
Para t=5
AUTO DEPURAÇÃO
Processo de Auto-Depuração
� A matéria orgânica é consumida por bactérias e outros
microorganismos aeróbios que transformam compostos
orgânicos de cadeias mais complexas,em cadeias mais simples. 
Ocorre que durante a decomposição, há um decréscimo nas
concentrações de oxigênio dissolvido na água devido à respiração
dos seres que consomem a matéria orgânica. O processo se 
completa com a reposição desse oxigênio.
� Etapa 1: Decomposição
� Etapa 2: Reaeração
5
Decomposição
� A quantidade de oxigênio dissolvida na água para a 
decomposição da matéria orgânica é chamada Demanda
Bioquímica de Oxigênio ( DBO ).
� DBO é o oxigênio que vai ser respirado pelos
decompositores aeróbios para a decomposição completa da
matéria orgânica lançada na água.
� Quando cessa a decomposição, diz-se que a matéria orgânica
foi estabilizada ou mineralizada.
Reaeração
� Durante a decomposição, há um decréscimo nas
concentrações de oxigênio dissolvido na água devido à
respiração dos seres que consomem a matéria orgânica.
� Recuperação do oxigênio dissolvido:
� Trocas atmosféricas
� Fotossíntese
� Temperatura
� Concentração de saturação do oxigênio
dissolvido na água
� Velocidade do curso d’agua
Fatores que interferem no 
processo: Modelo de Streeter - Phelps
� Etapa de decomposição
Lt= Lo e - ( k1 t )
� Lt= DBO restante após um tempo t do lançamento, em 
mg/l
� Lo = DBO inicial, em mg/l
� k1 = constante de desoxigenação, em dia-1
� t = instante de tempo após o lançamento, em dias
6
Valores Típicos de DBO
250-2.000Sabão
300-10.000Polpa e Papel
1.000-4.000Curtume
15.000-20.000Matadouros
500-4.000Laticínio c/ queijaria
3.500Destilação de Álcool
350-600Esgoto Doméstico
Concentração de DBO (mg/l)Tipo
Fonte: Von Sperling, M., 1996
DBO em Rios
kr = kd + ks H
vk ss =
no regime permanente e uniforme:
x
U
kr
eLL
−
= 0tUx .=
o coeficiente de decaimento pode ser desdobrado em:
O valor de Kd (ou K1)
� Os principais fatores que afetam a taxa Kd são:
� Temperatura
� Natureza da matéria orgânica
� Os valores de Kd obtidos em laboratório são usualmente menores do 
que aqueles que ocorrem na realidade
0,310,075 (0,05-0,10)Secundário
0,630,20 (0,10-0,30)Primário
0,830,35 (0,2-0,5)Não tratado
DBO5/DBOuKd (20oC) (d-1)Tratamento
Valor de Kr
Kr=Kd+Ks
� Kd refere-se à decomposição
� Ks refere-se à sedimentação
� Valores típicos da velocidade de sedimentação estão 
entre 0,1 e 0,5 m/dia
� Em ambientes naturais, observam-se valores de 
Kr desde 0,17 até 5,6 dia
-1
7
Conversão do valor de k1
� A temperatura padrão do ensaio da DBO é de 20oC, a 
conversão é feita por:
( k1)T = (k1)20 . 1,047 ( t - 20 )
� (k1)T = constante na temperatura do rio
� (k1)20 = constante medida a 20oC
� T = temperatura do rio em oC
�O fator constante (1.047) é influenciado pela temperatura; 
para temperaturas menores de 15oC usam-se fatores 
maiores (1.1)
Dt = Do e - ( k2 t )
�Dt= deficit de oxigênio no instante t, em mg/l
�Do = deficit de oxigênio no ponto de lançamento, em mg/l
� k2 = coeficiente de reaeração, em dia-1
� t = instante t após o lançamento, em dias
Etapa de reaeração
Saturação do OD
� Efeito da temperatura
4
a
11
3
a
10
2
a
7
a
5
satT,od T
10x621949.8
T
10x243800.1
T
10x642308.6
T
10x575701.134411.139Cln −+−+−=
• Efeito da salinidade
)
T
10x1407.2
T
10x0754.110x7674.1(SClnCln 2
a
3
a
1
2
satT,odsatS,od +−−=
−
• em ambos casos, a 1 atm de pressão
•Ta é a temperatura absoluta (oK, ou T+273,15 para T em oC)
•S é a salinidade em g/l
Exemplo
� Para T=20oC e salinidade 25 g/l (estuário)
� Só considerando o efeito de temperatura, como se a 
salinidade fosse zero
� lnCod,satT= 2,207 ou Cod,satT= 9.09 mg/l
� Considerando também a salinidade
� ln Cod,satS= 2.06 ou Cod,satS=7.85 mg/l
8
� k2 depende das condições físicas do escoamento
� (k2)20 = coeficiente de reaeração a 20oC
� V = velocidade média do rio, em m/s
� H = profundidade média do rio, em m
� Owens, Edwards e Gibbs
� válida para rios com:
� profundidade entre 0,10 e 3,3 m
� velocidades entre 0,03 e 1,5m/s
(k2)20 = (3,0 .V
0,67) / H 1,65
Valor de k2
� O`Connor e Dobbins
� válida para rios com:
� profundidades entre 0,30 e 9,0 m
� velocidades entre 0,15 e 0,50 m/s
(k2)20 = (3,92 . V0,5) / H1,5
� Churchill
� válida para rios com:
� profundidades entre 0,60 e 3,3 m
� velocidades entre 0,5 e 1,5 m/s
(k2)20 =( 5,05 . V0,969) / H1,673
Valor de k2
� A constante k2, depende também da temperatura. Caso a 
temperatura do rio seja diferente de 20oC, a conversão é dada 
por:
(k2)T = ( k2) . 1,024 (T - 20)
� (k2)T = coeficiente de reaeração na temperatura T
� (k2)20 = coeficiente de reaeração a 20oC
� T = temperatura em oC
Valor de k2
9
Formulação do processo completo
tk
o
tktk
12
o1
t
221 e.D)ee(
kk
L.kD −−− +−
−
=
Valores Críticos
� instante crítico de ocorrência
� deficit crítico de ocorrência
































−
−
−
=
0xL1k
1k2k
0D1
1k
2kln
1k2k
1
t
c
c
tk
eL
k
k
c
D 10
2
1 −
=
Validade
� Processos AERÓBIOS
� Admite mistura completa imediata
� Não considera fotossíntese
� Não considera demanda bentônica nem 
remoção por sedimentação
� Não considera dispersão
� Perfil uniforme de velocidade
10
PROCESSO ANAERÓBIO
CURVA DE DEPLEÇÃO DO 
OXIGÊNIO DISSOLVIDO
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Distância (Km)
O
D
 
(m
g/
l)
CURVA DE DECAIMENTO DA DBO
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Distância (Km)
D
B
O
 
(m
g/
l)
decaimento linear
. No ponto onde a decomposição 
se torna anaeróbia:
COD=0 � deficit=saturação
. A partir deste ponto, a 
decomposição não pode mais 
seguir a taxa –K1L
. Admite-se decaimento linear da 
DBO
PROCESSO ANAERÓBIO
� No trecho anaeróbio admite-se decaimento linear
� L = Li – k2 os (t-ti)
� Li é a DBO no início do trecho anaeróbio
� Onde termina o trecho anaeróbio?
� O balanço torna-se igual a zero: o que SAI é igual ao que 
ENTRA de OD, ou
s
si
if
ok
okLk
k
tt
2
21
1
1 −
+=
Após esse trecho, volta a valer a equação de Streeter-Phelps
satf CKLK 21 = e
Adicionando complexidade...
s
dt
dC)dA(dx
x
)uCA(dx
x
)
x
CDA(
t
M
xx
x
Lx
++
∂
∂
−
∂
∂
∂∂
=
∂
∂
O modelo QUAL-2E...
O MODELO QUAL2-E
• desenvolvido pelo USEPA
• é um modelo para simulação da 
qualidade da água em RIOS
• pode ser usado para avaliar 
impactos decorrentes de novos 
lançamentos, captações etc
• podem ser simuladas 15 diferentes 
variáveis, numa combinação 
escolhida pelo usuário
• permite calcular a vazão 
necessária para manter níveis de 
OD
• permite trabalhar com trechos de 
diferentes características hidráulicas
• permite trabalhar com o rio 
principal e tributários 
11
Variáveis no Modelo QUAL2-E
� Oxigênio Dissolvido
� Demanda Bioquímica de Oxigênio
� Nutrientes ( Nitrogênio e Fósforo)
� Temperatura
� Coliformes
� Algas
� 1 não-conservativo (escolha do usuário)
� 3 conservativos (escolha do usuário)
Ponto de Controle
BACIA
CAPTAÇÃO
LANÇAMENTO
CABECEIRA
CABECEIRA
CABECEIRA
REPRESENTAÇÃO 
ESQUEMÁTICA
Limites Máximos para a Bacia
� Cabeceiras: 7
� Trechos: 25
� Elementos: 20 por trecho
� Elementos de Junção: 6
� Descargas e Captações: 25
Escolher a tipologia:
� O sistema fluvial deve ser dividido em trechos 
“homogêneos” em relação às características hidráulicas
� Cada trecho será dividido em elementos de igual 
comprimento
� O modelo admite:
� Vazão de entrada na cabeceira
� Contribuição lateral ao longo do trecho
� Cada captação ou lançamento é localizada em um elemento
12
Elementos de um Modelo
� FUNÇÕES DE FORÇA
� São os elementos de natureza externa que 
influenciam o estado do sistema
� Vazão de entrada, Descargas e captações, Temperatura
� VARIÁVEIS DE ESTADO
� Descrevem o estado do sistema
� A seleção das variáveis a usar é crucial para a 
definição correta do problema e para que a análise 
chegue às respostas desejadas
� São as 15 opções do QUAL2-E
Elementos de um Modelo
� EQUAÇÕES MATEMÁTICAS
� É o “coração” do modelo
� Devem descrever as interações entre os processos químicos, 
físicos e biológicos
� São as relações entre as funções de força e as variáveis
� Hidráulica, Streeter-Phelps etc
� PARÂMETROS
� A representação matemática contém ‘coeficientes’ ou 
‘parâmetros’
� Usualmente variam entre sistemas
� Devem ser ajustados para cada aplicação do modelo: é a 
CALIBRAÇÃO
CURVA DE DEPLEÇÃO DO 
OXIGÊNIO DISSOLVIDO
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Distância (Km)
O
D
 
(m
g/
l)
CURVA DE DEPLEÇÃO DO 
OXIGÊNIO DISSOLVIDO
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Distância (Km)
O
D
 
(m
g/
l)
K1= 0,35; K2 = 2,0 K1= 0,35; K2 = 3,0
CURVA DE DEPLEÇÃO DO 
OXIGÊNIO DISSOLVIDO
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Distância (Km)
O
D
 
(m
g/
l)
CURVA DE DEPLEÇÃO DO 
OXIGÊNIO DISSOLVIDO
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Distância (Km)
O
D
 
(m
g/
l)
K1= 0,45; K2 = 2,0
K1= 0,45; K2 = 3,0
Calibração
� A calibração não é trivial devido
� Aos erros
� À variação da concentração com a vazão
� Às incertezas do processo
� Dica: calibre por estação do ano
� Se é para eventos críticos, calibre para a seca
� Se é de longo prazo, faça calibrações sazonais
� Faça análise de sensibilidade
13
Calibração
� Não tente ajustar o simulado com o observado
� Agrupe os dados
� Faça Box-and-Whiskers Plots
� Ou máximos, média, mínima
� Faça a calibração passar no meio
� Use seu conhecimento sobre a bacia, sobre os 
PROCESSOS INTERVANIENTES para a 
calibração
Coliformes Termotolerantes - Ribeirão dos Bagres
1.00E+03
1.00E+04
1.00E+05
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
1.00E+09
ab
r-
89
ju
l-8
9
ou
t-
89
ja
n-
90
m
ai
-9
0
ag
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no
v-
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m
ar
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1
ju
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se
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ar
-9
4
ju
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m
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ar
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7
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m
ai
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m
ar
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0
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1
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01
fe
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02
m
ai
-0
2
se
t-
02
de
z-
02
Data da coleta
C
o
lif
o
rm
es
 
Te
rm
o
to
le
ra
n
te
s
 
(N
M
P/
10
0m
l)
DBO - Rio dos Bagres
0
50
100
150
200
250
300
350
ab
r-
89
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ou
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ar
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no
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01
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v-
02
m
ai
-0
2
se
t-
02
dez-
02
Data da Coleta
D
B
O 
(m
g/
l)
Fósforo Total - Ribeirão dos Bagres
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
ab
r-
89
ju
l-8
9
ou
t-
89
ja
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m
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m
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m
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m
ar
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ou
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01
ab
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l-0
1
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01
fe
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m
ai
-0
2
se
t-
02
de
z-
02
Data das coletas
Fó
s
fo
ro
 
To
ta
l (m
g/
l)
OD - Rio dos Bagres
0
2
4
6
8
10
12
ab
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m
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n-
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ja
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ju
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1
no
v-
01
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v-
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m
ai
-0
2
se
t-
02
de
z-
02
Datas de Coleta
OD
 
(m
g/
l)
VARIAÇÃO AO LONGO DO TEMPO
Fósforo Total - Rio Sapucaí
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Sap23 Sap24 Sap28
Postos
Fó
sf
o
ro
 
To
ta
l (m
g/
l)
Oxigênio Dissolvido - Rio Sapucaí
0
2
4
6
8
10
12
Sap23 Sap24 Sap28
Postos
O
x
ig
ên
io
 
D
is
s
o
lv
id
o
 
(m
g/
l)
DBO - Rio Sapucaí
0
1
2
3
4
Sap23 Sap24 Sap28
Postos
D
B
O
 
(m
g/
l)
DADOS EM BOX PLOTS
A Origem da Incerteza
� MEDIÇÃO
� Imprecisão: algumas variáveis apresentam 
imprecisão na metodologia de análise
� Erro!: podem ocorrer erros devido a aparelhos 
descalibrados, falta de cuidado, pessoal não 
qualificado, demora para chegar no laboratório etc 
etc
14
A Origem da Incerteza
� Valores anormais 
(‘outliers’)
� Podem refletir erros 
grosseiros de medição, 
mas podem ser reais
� São casos de acidentes, ou 
secas severas etc
� É preciso CUIDADO 
para desprezá-los
� Há procedimentos 
estatísticos para retirá-los
Fóforo Total - Sapucaí
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
de
z
-8
8
ju
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9
de
z
-9
9
ju
n
-0
0
ja
n
-0
1
Data da coleta
Fó
s
fo
ro
 
To
ta
l (m
g/
l)
A Origem da Incerteza
� A distribuição das variáveis não é normal
� Tendemos a imaginar uma distribuição simétrica me torno da média; 
dados ambientais são usualmente assimétricos; poucos valores altos fazem 
subir a média
� A variância muda: o erro é proporcional à medida
� As séries não são estacionárias: a média muda
� Há correlação serial, temporal ou espacial
� A continuidade natural faz com que dados próximos sejam mais parecidos 
que dados coletados aleatoriamente
� Séries mal construídas
� Dados foram obtidos com outro propósito
� Mudança no método de análise
� Mudança no ponto de coleta
� Nas séries N e P, usualmente é confuso!
� DOCUMENTAR!!
Ou seja....
� USE SUA CRÍTICA!!!
� Ao iniciar um trabalho, plote a série e exerça sua 
crítica
� Observe variações sazonais, tendências, outliers
e outros comportamentos estranhos
� Compare séries semelhantes
� Pense nos processos físicos que as geraram
� Tudo isso interfere na calibração