Aplicação de Modelos Matemáticos no Estudo da Qualidade da Água Estudo do Fenómeno de...

Aplicação de Modelos Aplicação de Modelos Matemáticos no Estudo da Matemáticos no Estudo da

Qualidade da ÁguaQualidade da Água

Estudo do Fenómeno de Estudo do Fenómeno de EutrofizaçãoEutrofização

Sofia Saraiva

O que é a Eutrofização?O que é a Eutrofização?

Scott Nixon(1995) considera a eutrofização como o aumento dos fluxos de matéria orgânica no meio aquático.

Um conjunto de processos naturais que resultam de um aumento da quantidade de nutrientes

disponíveis, em particular de fósforo e azoto, o que conduz a um aumento de produtividade, ou seja a um

aumento de biomassa no sistema.

Fitoplâncton

Azoto Orgânico

RespiraçãoMorteExcreção

Nitrificação

Amónia

RespiraçãoMorte

Excreção

Zooplâncton

Produção Primária e o Ciclo do AzotoProdução Primária e o Ciclo do Azoto

Mineralização

Desnitrificação

Azoto Atmosférico

Nitrato

Eutrofização / Sistema EutrofizadoEutrofização / Sistema Eutrofizado

Eutrofização Fenómeno Natural

Enriquecimento excessivo de NutrientesGeralmente devido a fontes antropogénicas

Aceleração artificial dos Processos de Eutrofização

Eutrofização Cultural

Sistema Eutrofizado

Sintomas de Eutrofização CulturalSintomas de Eutrofização Cultural

NUTRIENTESAZOTO

FÓSFORO

Produção de Biomassa

(Seres Autotróficos)

Diminuição da Luz Disponível

Alteração de Espécies de Algas

Aumento da Produção de Matéria Orgânica

Perda de Vegetação Submersa

Blooms de Algas Tóxicas

Diminuição do Oxigénio Dissolvido

Perda de Habitat

Aumento de BioToxinas

Morte de Peixes

Odores Desagradáveis

Ecossistema em Regressão(Eutrofizado)

Avaliação do estado trófico de um EcossistemaAvaliação do estado trófico de um Ecossistema

Qual o input de nutrientes máximo permitido para que o sistema não se torne eutrofizado?

Objectivo

Problema

Difícil distinguir entre os sintomas de eutrofização e a dinâmica natural do sistema

Compreender o ecossistema

Modelos Matemáticos

Previsão de impactes sobre o sistema

Ferramenta de apoio à decisão

Decisores e LegislaçãoDecisores e Legislação

Directiva Quadro da Água(Directiva 2000/60/CE do Conselho, de 23 de Outubro)

Reforça a importância da aplicação de algumas directivas anteriores (Artigo 10.º)

Directiva do Tratamento da Águas residuais Urbanas (Directiva 91/271/CEE do Conselho, de 21 de Maio)

PROBLEMACom base nas Directivas Europeias, o Estuário do Tejo deve ser classificado como Zona Sensível, no que diz respeito à Eutrofização?

Directiva do Tratamento da Águas residuais Urbanas (Directiva 91/271/CEE do Conselho, de 21 de Maio)

Posteriormente alterada pela Directiva 98/15/CEE de 27 de Fevereiro

Transposta para o direito nacional – Decreto Lei 152/97 de 19 de Junho (o AnexoII foi posteriormente alterado pelo Decreto-Lei 172/2001 de 26 de Maio)

Objectivo - evitar danos ambientais resultantes das descargas de águas residuais urbanas e de águas provenientes de processos industriais

Nível de tratamento deve ser primário, secundário ou terciário em função da sensibilidade das águas receptoras

Quando as descargas são efectuadas em zonas sensíveis o tratamento deve incluir a remoção de Fósforo e/ou Azoto Total dependendo da situação

Zona Sensível (AnexoII, alínea a))

“Lagos naturais de água doce, outras extensões de água doce, estuários e águas costeiras que se revelem eutróficos ou susceptíveis de se tornarem eutróficos num futuro próximo, se não forem tomadas medidas de protecção...” (AnexoII, alínea a))

“... Estuários, baías e outras águas costeiras cujas águas têm uma fraca renovação ou que recebem grandes quantidades de nutrientes..” “...no caso de grandes aglomerações, deve proceder-se à remoção do fósforo e ou azoto, excepto se se demonstrar que a remoção não terá qualquer efeito no nível de eutrofização;...” (Anexo II, alínea a), ponto ii))

Definição do ProblemaDefinição do Problema

PROBLEMACom base nas Directivas Europeias, o Estuário do Tejo deve ser classificado com Zona Sensível?

Zona Sensível O tratamento efectuado nas ETARs deve remover Azoto e Fósforo

Hipótese – Se o Estuário do Tejo for uma zona sensível, então, se considerarmos uma eficiência de 100% no tratamento efectuado nas ETARs, vamos observar diferenças significativas nas várias propriedades em estudo.

Aplicação do ModeloAplicação do Modelo

Simulação da Situação de Referência

Simulação de um cenário considerando que não existem descargas de ETARs no Estuário do Tejo

Definiçãode

Zona Sensível

Descargas no EstuárioDescargas no Estuário

Quinta da

Bom

ba

Rio Tejo

Rio Trancão

Rio

Sor

raia

Vila Franca

de Xira

Alverc

a

Alcoch

et

e

Montij

o

MoitaAlhos

VedrosPalhais

Mu

tela

Alcântara

Portin

ho

da C

osta

Chelas

Rios

ETARs

Implementação do ModeloImplementação do Modelo

Malha Considerada Caixas de Integração

Resultados do ModeloResultados do Modelo(Mapas de Distribuição)(Mapas de Distribuição)

Fitoplâncton

Situação de Referência


Amónia



Nitrato


Resultados do ModeloResultados do Modelo(Fluxos entre Caixas de Integração)(Fluxos entre Caixas de Integração)

Phytoplankton Anual Budgets(Reference Situation) tonC/year

1300

5700

130016300

12100

1780

0

7300 6

0

5000

5800

800

10



600

AmmoniaAnual Budgets(Reference Situation) ton N/year

53004700 900

2100

1800

3700 40670

140

850

150

1400

300

330

700

60

80

600



NitrateAnual Budgets(Reference Situation) tonN/year

880

120015

300

14500

1300

0

1160

011

400

10600

140

850

150

200

300

11600

1200

20100


Resultados do ModeloResultados do Modelo(Balanço Global de Azoto no Estuário)(Balanço Global de Azoto no Estuário)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Flux

(ton

/y)

Phy to (C) Ammonia (N) Nitrate (N) Pon (N) Don (N)

Total Balance in the Estuary

Entering

Ex iting

Há produção de biomassa

O Estuário do Tejo é um sistema eutrófico


Resultados do ModeloResultados do Modelo(Comparação de Cenários – Mapas de Distribuição)(Comparação de Cenários – Mapas de Distribuição)

Teste da Hipótese(100% Eficiência nas ETARs)

Situação de Referência Cenário sem descargas de ETARs

Diferenças pouco significativas

Resultados do ModeloResultados do Modelo(Comparação de Cenários – Concentração (Comparação de Cenários – Concentração

Média nas Caixas)Média nas Caixas)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Mas

s C

once

ntra

tion

(mgN

/L)

Box 1 Box 2 Box 3 Box 4 Box 5 Box 6 Box 7 Box 8 Box 9

Average Concentration of Nitrate

Reference Situation

Total Nutrient Removal by WWTP

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Mas

s Co

ncen

tratio

n (m

gC/L

)


Average Concentration of Phytoplankton

Reference Situation


0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Mas

s Fl

ux (g

N/s

)


Average Concentration of Ammonia

Reference Situation


\\

Grande Variação da Quantidade de Nutrientes

Pequena Variação na Produção de Biomassa

Os nutrientes não são limitantes


Resultados do ModeloResultados do Modelo(Comparação de Cenários – (Comparação de Cenários –

Concentração Média nas Caixas)Concentração Média nas Caixas)

0

50

100

150

200

Flux

(ton

N/s

)

Reference Situation Total Nutrients

Remov al by WWTP

Ammonia Total Balance in the Estuary

Entering

Ex iting

0

100

200

300

400

500

Flux

(ton

C/s

)


Remov al by WWTP

Phytoplankton Total Balance in the Estuary

Entering

Ex iting

0

100

200

300

400

500

Flux

(ton

N/s

)


Remov al by WWTP

Nitrate Total Balance in the Estuary

Entering

Ex iting

0

100

200

300

400

500

600

Flux

(ton

C/s

)


Remov al by WWTP

Org.Matter Total Balance in the Estuary

Entering

Ex iting


ConclusãoConclusão

Estuário do Tejo funciona como um Sistema de Depuração

Há Produção de Biomassa

Há Consumo de Nutrientes

Maiores Descargas de Nutrientes

Maiores Fluxos de Saída do Estuário

Limitação pela Luz

Conclusão do EstudoConclusão do EstudoZona Sensível

Hipótese1 – Se o Estuário do Tejo for uma zona sensível, então, se considerarmos uma eficiência de 100% no tratamento efectuado nas ETARs, vamos observar diferenças significativas nas várias propriedades em estudo.

Uma eficiência de remoção de 100% nas ETARs

Efeito pouco significativo na dinâmica do sistema

O Estuário do Tejo não é uma Zona Sensível

Notas FinaisNotas Finais

Importantes no estudo dos sistemas complexos (exemplo:estuários, albufeiras)

Fundamentais para a previsão de impactes sobre um determinado sistema ecológico

Importantes ferramentas de apoio à decisão

Utilidade de Modelos Ecológicos

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