Relatório de aplicação do modelo STREETER-PHELPS no RIO PIRAÍ (SC)

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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA
DISCIPLINA: ANÁLISE E MODELAGEM DE SISTEMAS AMBIENTAIS
Professora: Cristina Ono Horita
Acadêmicos: Daiani Bastos, Dennis Mantau
RELATÓRIO TÉCNICO
APLICAÇÃO DO MODELO DE STREETER-PHELPS
1) ÁREA DE APLICAÇÃO DO MODELO
O rio escolhido para a aplicação do modelo é o rio Piraí, este é rio principal da sub-bacia do Rio Piraí que faz parte do complexo hídrico do Itapocu, essa bacia abrange quatro municípios, sendo estes: Joinville, Araquari, Balneário Barra do Sul e Guaramirim, dos quais a sua maior extensão fica localizada em Joinville. O rio possui uma extensão total de 52 km, e altitude de 749 m, sua confluência é no rio Itapocu. Este rio é de grande importância para a região, visto que abastece a região tanto para o consumo, como para a agricultura.
Figura 1. Mapa de localização da Bacia do Rio Piraí com uso de dados do Epagri Ciram, SC. 
Fonte: Autores.
Figura 2. Mapa da delimitação da Bacia do Rio Piraí e seu rio principal com uso de dados do Epagri Ciram.
Fonte: Autores.
2. DADOS DE ENTRADA DO CURSO D’ ÁGUA NO MODELO
2.1. Extensão do Rio 
Para definir a extensão do rio Piraí, foi realizado o mapeamento através da Ferramenta de Geoprocessamento ArcGis como mostra a figura 2 com o uso de dados do site do Epagri Ciram, com intuito de Delimitar a Bacia do Rio Piraí e assim, saber o seu rio principal e por consequência, sua extensão, que foi calculada e obtido 52 km o qual será utilizado no modelo.
2.2. Temperatura do Rio (Tr)
A Bacia Hidrográfica do Rio Piraí está inserida em duas diferentes Zonas Agroecológicas: Zona Agroecológica 1A e Zona Agroecológica 2A, com predomínio da primeira. Segundo a classificação climática de Köppen, a zona agroecológica 1A é classificada como clima subtropical constantemente úmido, sem estação seca, com verão quente. A temperatura média anual da Zona Agroecológica 1A varia de 19,1 a 20,0ºC. Estes dados foram pegos no Boletim Técnico do Levantamento da Cobertura Pedológica e da Aptidão Agrícola das Terras da Bacia Hidrográfica do Rio Piraí, público pelo consultor responsável: Eng° Agrônomo Antônio Ayrton Auzani Uberti no ano de 2011. Sendo assim, para aplicação do modelo foi considerado uma temperatura média anual de 20ºC.
2.3. Vazão do rio (Qr)
	Foram obtidos os dados de vazão na estação fluviométrica da ANA, sendo que o código da estação usada é 82770000, os dados usados correspondem ao período de 1996 a 2010, conforme a figura 3 nota-se que dentro desse período não há dados de todos os anos, podendo haver dessa forma.
Figura 3. Hidrograma com os dados de vazão correspondente ao período de 1996 a 2006. 
Fonte: ANA.
2.4. Períodos de chuva
 	Os meses considerados como maior precipitação são: Setembro, Outubro, Novembro, Dezembro, Janeiro e Fevereiro, a partir destes foi tirada uma média das vazões, conforme apresentado na tabela 1.
Tabela 1. Dados de vazão correspondente aos meses de maior precipitação
Fonte: Agência Nacional 
2.5. Períodos de estiagem
A partir dos dados da estação fluviométrica foi aplicado o método do Q90, que consiste na obtenção de uma vazão de referência da figura 4, a partir de uma curva de permanência, nesta curva é usada a série histórica nas quais estão as medições de vazão diária.
Figura 4. Curva de permanência com os dados de vazão correspondente ao período de 1996 a 2006.
Fonte: Autores.
Tabela 2. Dados principais para a obtenção do Q90
Fonte: Autores.
2.6. Concentração de saturação de OD (APHA, 1992)
Usou-se as seguintes fórmulas (APHA, 1992) para:
· Temperatura 
· Altitude
	A temperatura usada de 20°C que é a média para região resultou em concentração de saturação de 9,09 mg/l, e a altitude de 0.749 Km resultou em uma concentração de saturação final de 8,31 mg/l.
2.7. Oxigênio Dissolvido (ODr) 
O Rio Piraí apresenta classe 2 segundo suas características e de acordo com os usos descritos pela resolução CONAMA nº357/2005, em que o para a DBO máximo é de 5 mg/l e para o OD 5 mg/l. Segundo Von Sperling (1996), para rio com condições com pouco indícios de poluição, foi adotado como oxigênio dissolvido para o rio como 90% da concentração de saturação, visto que o rio se encontra em boas condições ambientais. Para a concentração de saturação obteve-se 8,31 mg/L, dessa forma o OD adotado é de 7,48 mg/L.
2.8. DBO5 do rio
	O rio como já mencionado encontra-se em boas condições ambientais, sendo assim adotou-se como rio limpo, dessa forma DBO5 e 2 mg/L.
Tabela 3. DBO em função das características do curso d’água. 
Fonte: Von Sperling apud Klein, 2006
2.9. Coeficiente de desoxigenação (K1) e coeficiente de decomposição (Kd)
 Os coeficientes K1 e Kd foram adotados com base na tabela de Von Sperling (2007). Por ser um rio maior que 1 metro foi adotado e estar recebendo esgoto bruto concentrado coeficiente de remoção de DBO efetiva para rios profundos como sendo 0,5d-1, e para K1 adotou o valor médio de 0,40d-1 sendo de origem de esgoto bruto concentrado.
Tabela 4. Valores típicos dos coeficientes de remoção de DBO (base e, 20° C). 
Fonte: VON SPERLING, 2007.
2.10. Coeficiente de reaeração (K2)
Este foi estimado em função de características hidráulicas do corpo d’água, para isso usou-se as fórmulas empíricas em que relaciona a velocidade e a profundidade, para a profundidade e velocidade foram encontrados os seguintes valores da tabela 5 no site da ANA, para a estação 82770000.
Tabela 5. Valores do coeficiente K2 segundo modelos baseados em dados hidráulicos do curso d´água (base e, 20°C).
Fonte: VON SPERLING, 2007.
Períodos de estiagem: foram usados os dados correspondentes aos meses de maio a agosto apresentados na tabela 6 e retirada a média destes, para tais dados usa-se a fórmula de O’Connor e Dobbins, e obtêm-se o K2 de 0,5991 d-1.
Tabela 6. Dados do rio correspondente aos meses de estiagem.
Fonte: ANA.
Períodos chuvoso: foram usados os dados correspondentes aos meses de novembro a fevereiro apresentados na tabela 7 e retirada a média destes, para estes dados assim como o anterior de períodos de estiagem é usada a fórmula de O’Connor e Dobbins, e obtêm-se o K2 de 0,7 d-1.
Tabela 7. Dados do rio correspondente aos meses chuvosos.
Fonte: ANA.
2.11. Velocidade (m/s)
Para calcular a velocidade do curso d’água nos períodos de estiagem e chuvosos, foi utilizado a fórmula a seguir:
Onde,
Velocidade (v) = m/s
Vazão (Q) = m³/s
Área (A) = m²
	Para o cálculo de área utilizou-se a multiplicação da profundidade pela largura em diferentes tempos climatológicos.
3. DADOS DE ENTRADA DO EFLUENTE NO MODELO
3.1. Vazão de efluente doméstico
	Foi utilizada a seguinte equação:
em que,
R = 0,8 
Q per capita = 200 l/hab.dia 
EFLUENTE TRECHO 1:
Para o primeiro trecho usou-se os seguintes dados da tabela 8, referentes a dois bairros de Joinville que estão em sua totalidade inseridos na bacia hidrográfica do Rio Piraí, com a população total de 35184 pessoas, obtendo-se a vazão de 0,065 m³/s.
Tabela 8. População referente a dois bairros de Joinville.
Fonte: IBGE.
EFLUENTE TRECHO 2:
Para o segundo trecho usou-se os seguintes dados da tabela 9, referentes a três bairros de Joinville que estão em sua totalidade inseridos em parte na bacia hidrográfica do Rio Piraí, com a população total de 32267 pessoas, obtendo-se a vazão de 0,060 m³/s.
Tabela 9. População referente a três bairros de Joinville.
Fonte: IBGE.
3.2. Oxigênio Dissolvido no rio, a montante do lançamento (ODr)
	Para esgotos brutos os teores de oxigênio dissolvidos são praticamente nulo, assim, utilizou-se 0 mg/l para o OD do efluente.
3.3. DBO5 do esgoto (DBOe)
Foi estimado a DBO dos esgotos domésticos pela da divisão da carga de DBO (valor per capita de DBO, da ordem de 40 a 60 gDBO5/hab.dia), pela vazão de esgotos (esgoto doméstico +infiltração))
EFLUENTE 1
Carga de DBO per capita= 60 gDBO5/hab.dia
População= 35184 pessoas
Qe= 0,065 m³/s
Obteve-se a DBOe de 375,90 mg/l
EFLUENTE 2
Carga de DBO per capita= 60 gDBO5/hab.dia
População= 32267 pessoasQe= 0,060 m³/s
Obteve-se a DBOe de 344,73 mg/l
4. RESULTADOS
DIAGRAMA UNIFILAR
PERÍODOS DE ESTIAGEM:
PERÍODO CHUVOSO:
Para analisar a curva de depleção de OD e a concentração de DBO no rio, após duas diferentes descargas pontuais de efluentes doméstico, foi utilizado o software MATLAB, modelo R2011b. Foi construído um modelo básico de qualidade da água, denominado Streeter Phelps, para verificação dos possíveis resultados.
Em época de estiagem o rio tende a ficar com valores mais baixos nos fenômenos de físicos de vazão, área e velocidade, consequentemente sofre uma perda maior de OD na água, em relação a DBO é possível verificar a estabilização da M.O através da distância que percorre a mistura do efluente com o corpo hídrico.
Para o momento de estiagem no trecho 1, obteve-se os seguintes resultados:
Gráficos 1 e 2: Resultados obtidos a partir da modelagem para o trecho 1 em momento de estiagem.
O gráfico 1 apresenta um valor de OD maior que estipulado pela legislação CONAMA 357/2005 (Rios Classe 2), a concentração de OD tem uma queda no instante que foi lançado o efluente, porém com o passar do tempo/ distância, o rio tende a se recuperar mediante sua capacidade de autodepuração. No gráfico 2, é possível verificar que com o lançamento de efluente a concentração de DBO na zona de mistura ultrapassa os limites, e percorre por cerca de 3km com as concentrações acima do permitido, porém, com a estabilização da M.O, é possível visualizar que após 3km percorrido, o rio tende a diminuir continuamente os valores de DBO.
No trecho 2 em momento de estiagem, obteve-se os resultados a seguir:
Gráficos 2 e 3: Resultados obtidos a partir da modelagem para o trecho 2 em momento de estiagem.
É possível identificar concentrações de OD e DBO extrapolando os limites exigidos pela legislação CONAMA 357/05, porém, com o decorrer do tempo/ distância, verifica-se que o corpo d’água tem a capacidade de se autodepurar.
Para verificar a situação do Rio Piraí com o lançamento de diferentes cargas de efluentes lançados em diferentes trechos, em época de estiagem, foi realizado o seguinte gráfico:
Gráfico 5: Concentração de OD (mg/L) durante o percurso do Rio Piraí (m), em época de estiagem.
Os valores da concentração de OD após receber duas cargas em dois pontos durante o percurso do rio, mantém-se inadequado na maior parte do tempo/ distância, ou seja, a concentração de OD abaixo do valor de 5mg/L não se enquadra com os valores estipulados pela legislação para rios de Classe 2. Contudo, verifica-se a capacidade de autodepuração do recurso hídrico ao longo da distância/ tempo.
Em relação ao período de chuva, constatou que a vazão, velocidade e área do rio tem um aumento severo nos valores, comparados com os dados de estiagem. Conclui-se que em épocas de chuvas na região da serra da Dona Francisca, o Rio Piraí não sofre grandes impactos, como explícito nos gráficos a seguir:
Gráficos 6 e 7: Resultados obtidos a partir da modelagem para o trecho 1 em época chuvosa.
Verifica-se que as concentrações estão dentro dos limites estipulados pela legislação.
Gráficos 8 e 9: Resultados obtidos a partir da modelagem para o trecho 2 em época chuvosa.
Nota-se que os valores das concentrações citadas no gráfico, não extrapolam os limites de concentração de OD e DBO, estipulados pela legislação.
Conclui-se que o Rio Piraí sofre severas mudanças ao longo do ano, devido sua sazonalidade, diferente do aporte de efluentes que tendem a aumentar com o passar dos anos, devido o número de pessoas existentes na Bacia Hidrográfica.
Para avaliar as diferentes concentrações nos trechos 1 e 2, em épocas chuvosas, obteve-se o seguinte resultado:
Gráfico 10: Concentração de OD (mg/L) durante o percurso do Rio Piraí (m), em época chuvosa.
Sendo, o eixo x a concentração de OD em mg/L e no eixo y, a distância total do rio principal.
5. REFERÊNCIAS:
1)AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS. Sistema de Informação Hidrológica. Disponível em: <http://hidroweb.ana.gov.br/default.asp> . Acesso online em 05 de dezembro de 2017.
2)APHA, Awwa. Wpcf.(1992). S 0-15 cm depth standard methods for the examination of water and wastewater. American community Health Association, New York, 1800.
3)Bacias Hidrográficas da região de Joinville. 2017. Disponível em <https://www.univille.edu.br/account/editora/VirtualDisk.html/downloadDirect/1145899/Bacias_hidrograficas_2017.pdf> Acesso em 5 de dezembro de 2017
4)Bacias Hidrográficas da Região de Joinville. Disponível em: <http://www.cubataojoinville.org.br/_publicacoes/bacias-hidrograficas-da-regiao-de-joinville.pdf>. Acesso online em: 05 de dezembro de 2017. 
5)Boletim técnico do levantamento da cobertura pedológica e da aptidão agrícola das terras da bacia hidrográfica do Rio Piraí. Disponível em: <http://sistemaspmj.joinville.sc.gov.br/documentos_vivacidade/Mapa%20de%20Fragilidade%20Ambiental%20de%20Joinville/Boletins/BT%20da%20BH%20Rio%20Pira%C3%AD%20-%20RF.pdf>. Acesso online em 05 de dezembro de 2017.
6)JOINVILLE. Cidades em Dados 2016. Disponível em: <https://www.joinville.sc.gov.br/wp-content/uploads/2016/01/Joinville-Cidade-em-Dados-2016.pdf> Acesso online em: 05 de dezembro de 2017.
7)PINHEIRO, Luciana. Da ictiologia ao etnoconhecimento: saberes populares, percepção ambiental e senso de conservação em comunidade ribeirinha do rio Piraí, Joinville, Estado de Santa Catarina-DOI: 10.4025/actascibiolsci. v26i3. 1594. Acta Scientiarum. Biological Sciences, v. 26, n. 3, p. 325-334, 2008.
8)Relatório de análise de água na Bacia do Rio Piraí (CAJ). Disponível em: <https://www.joinville.sc.gov.br/publicacoes/relatorios-de-analise-de-agua-na-bacia-do-rio-pirai-caj/>. Acesso online em: 05 de dezembro de 2017.
9)Secretaria do Meio Ambiente de Joinville. Programa de monitoramento da qualidade das águas superficiais de Joinville/SC. Disponível em: <https://www.joinville.sc.gov.br/wp-content/uploads/2017/04/Relat%C3%B3rio-an%C3%A1lise-%C3%A1gua-Bacia-Rio-Pira%C3%AD-2017-01-24-n%C2%BA-001-2017-SEMA.pdf>.
10)VON SPERLING, Marcos. Estudos e modelagem da qualidade da água de rios. DESA/UFMG, 2007.