Diagnóstico da Qualidade da Água na Bacia do Alto Iguaçu Aguas... · A correlação linear...
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Workshop sobre Monitoramento de Qualidade da Água em Bacias Urbanas
Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental
Universidade Federal do Paraná
Diagnóstico da Qualidade da Água na Bacia do Alto Iguaçu:
Monitoramento e Modelagem
Heloise Garcia Knapik
Cristovão Vicente Scapulatempo Fernandes (Orientador)
Júlio Cezar Rodrigues de Azevedo (Co-orientador)
Evidências de interesse
� Avançar no entendimento da dinâmica da poluição, focando não só nos parâmetros tradicionais;
� Avançar nas estratégias de implementação dos instrumentos de Gestão de Recursos Hídricos;
� Se vale a pena tornar o problema mais complexo;
� Entender quais as implicações que essa abordagem pode ter na Gestão dos Recursos Hídricos.
Atividades desenvolvidas
� Continuidade e complementação dos dados do monitoramento já consolidado em projetos anteriores, com ensaios de espectroscopia de fluorescência e de ultravioleta visível, ano de 2008;
� Determinado experimentalmente o coeficiente de desoxigenação carbonácea, K1, e analisado o coeficiente de reaeração K2 a partir de equações;
� Implementado e calibrado o modelo de qualidade de água QUAL2E para o oxigênio dissolvido, DBO, nitrogênio e fósforo;
� Simulado o modelo de qualidade de água com inclusão de cenários de despoluição hídrica no trecho do rio Iguaçu na região de Curitiba e Região Metropolitana, para analisar o impacto que as diferenças de simulação e calibração podem ter na questão de gestão de recursos hídricos, face às novas considerações da modelagem e a caracterização da matéria orgânica na bacia em estudo;
Abordagem metodológica
Proposta de Enquadramento
Proposta de Enquadramento
(6) Metas Progressivas
(2) Matriz de Fontes de Poluição
(5) Medidas de Despoluição Hídrica
(4) Modelo de Qualidade da Água
(1) Monitoramento:Qualidade x Quantidade
(3) Hidrologia
Bacia Hidrográfica Instrumentos de Gestão de Recursos Hídricos
Plano de Bacia
Proposta de Enquadramento
Proposta de Enquadramento
(6) Metas Progressivas
(2) Matriz de Fontes de Poluição
(5) Medidas de Despoluição Hídrica
(4) Modelo de Qualidade da Água
(1) Monitoramento:Qualidade x Quantidade
(3) Hidrologia
Bacia Hidrográfica Instrumentos de Gestão de Recursos Hídricos
Plano de Bacia
Proposta de Enquadramento
Proposta de Enquadramento
(6) Metas Progressivas
(2) Matriz de Fontes de Poluição
(5) Medidas de Despoluição Hídrica
(4) Modelo de Qualidade da Água
(1) Monitoramento:Qualidade x Quantidade
(3) Hidrologia
Bacia Hidrográfica Instrumentos de Gestão de Recursos Hídricos
Plano de Bacia
A Bacia do Alto Iguaçu
P6
P5 P4 P3
P2
P1
P0
� Leste do Paraná;� Aprox. 3.000 km²;� 3 milhões de habitantes;� Média de 32 % de esgoto coletado e tratado.
Monitoramento da Qualidade da Água
� 20 campanhas realizadas entre 2005 e 2006 (Projeto Bacias Críticas);� 5 campanhas realizadas entre março e agosto de 2008;
Medições em campo
� OD
� Condutividade
� Temperatura
� pH
� Turbidez
� Profundidade Secchi
� Medição de nível
Medições em laboratório
� DBO, DQO, DOC
� Nitrito e Nitrato
� Nitrogênio Amoniacal e Orgânico
� Fósforo
� Sólidos dissolvidos, suspensos e sedimentáveis
� Clorofila-a
� Desoxigenação - K1
� Espectroscopia de Fluorescência e de
Absorvância
Monitoramento: Alguns resultados
� Perfis diferentes para a maioria dos parâmetros em relação aos pontos Olaria e P1 e
os demais pontos: influência da ocupação antrópica;
� A correlação linear simples entre as variáveis também indicou a influência de
esgotos do ambiente estudado (turbidez, profundidade secchi, vazão e sólidos);
� A forma amoniacal do nitrogênio foi predominante no trecho entre P2 e P6,
indicando a presença de efluentes (poluição recente);
� A correlação linear positiva entre N_NH3, N_Org, DBO e S298 também
evidenciam a presença de efluentes domésticos;
� Fósforo apresentou elevadas concentrações no trecho entre P2 e P6, acompanhados
de baixos valores de clorofila-a.
Determinação de K1
� Aplicação da metodologia de Winkler em ensaios consecutivos durante 5 dias (determinação do consumo de OD);
� Amostra nos pontos P2 e P5, coletas 23, 24 e 25;
� Cálculo pelos Métodos dos Mínimos Quadrados e Método de Fugimoto.
� Nas alíquotas com pouco volume de amostra pode ter ocorrido produtividade primária (grande oferta de nutrientes);
� As faixas de valores obtidas indicam que ainda é preciso avançar na sua determinação;
Determinação de K2
� Teste das equações de Churchill et al. (1962), O’Connor e Dobbins (1958), Owens et
al. (1964), Langbien e Durum (1964), Thackston e Krenkel (1966), e Tsivoglou e Wallace (1972);
� Análise das seções transversais (profundidade do canal e velocidade do escoamento) dos pontos de monitoramento e dos perfis de vazão nas campanhas de campo;
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
105
110
Distância Nascente Foz (km)*
Coeficie
nte
de R
eaera
ção (d
-1)
95%
5%
Mediana
Out max
Out min
Ponto P3
Ponto P6
Ponto P2
Ponto P4 Ponto P5
A
B
CD
EA B C D EA B C D E A B C D E
A B C D E
A: OwensB: ChurchillC: DurumD: O'ConnorE: Tchakston
Ponto P0
A B C D E
Espectroscopia de Ultravioleta visível
� Caracterização da matéria orgânica;
� Identificar possíveis fontes no ecossistema aquático:
- Absortividade SUVA254
(Westerhoft e Anning, 2000)
≈ 1,2 L/mg.m indicam presença de esgotos (atividade biológica);
≈ 4,4 L/mg.m indicam fonte alóctone pedogênico (ácidos fúlvicos).
- Razão A285/COD
(Rostan e Cellot, 1995)
< 10 L/g indicam presença de matéria orgânica lábil
≈ 20 L/g indicam fonte alóctone pedogênico (ácidos fúlvicos).
- Razão entre
comprimentos de onda
E2/E3 – 250/ 365 nm (Peuravuori e Pihlaja, 1997)
E3/E4 – 300/ 400 nm (Artirger et al., 2000)
E4/E6 – 465/ 665 nm (Senesi, 1989; Chen et al., 2002)
Espectroscopia de Ultravioleta visível
Ponto COD SUVA254 A285/COD
Olaria 6,87 2,01 13,94± 1,85 ± 0,76 ± 5,26
P1 8,47 1,82 12,74± 3,95 ± 1,06 ± 7,52
P2 8,68 1,36 9,26± 2,61 ± 0,55 ± 3,81
P3 8,27 1,81 12,66± 3,70 ± 1,56 ± 10,87
P4 8,42 1,91 13,31± 6,27 ± 1,74 ± 12,24
P5 9,31 1,33 9,28± 5,76 ± 1,07 ± 7,50
P6 8,01 1,13 7,79± 3,10 ± 0,20 ± 1,33
autóctone/ alóctone antrópico
Fonte provável
autóctone/ alóctone antrópico
autóctone/ alóctone antrópico
autóctone/ alóctone antrópico
autóctone/ alóctone antrópico
autóctone/ alóctone antrópico
autóctone/ alóctone antrópico
Espectroscopia de Fluorescência
� Análise para excitação em 314 e 370 nm:
- Pico do espectro (PW)
(Westerhoft e Anning, 2000)
< 450 nm: carbono orgânico autóctone;
> 450 nm: carbono orgânico alóctone pedogênico;
- Razão FR 450/500 nm
(Westerhoft e Anning, 2000)
< 1,5: fonte alóctone;
> 1,8: fonte autóctone;
� Análise para excitação em 370 nm:
- Região 280- 298 nm
(Peuravuori et al., 2002)
Característico de esgoto doméstico
� Análise para espectro sincronizado:
Espectroscopia de Fluorescência
Alóctone pedogênicoAutóctone
350 400 450 500 550 6000
50
100
150
200
250
300
F/C
OD
(E
xc 3
14)
Comprimento de onda de emissão (nm)
Ponto P5 - Guajuvira Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)
350 400 450 500 550 6000
50
100
150
200
250
300
F/C
OD
(E
xc 3
14)
Comprimento de onda de emissão (nm)
Ponto P6 - Balsa Nova Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)
350 400 450 500 550 6000
50
100
150
200
250
300
F/C
OD
(E
xc 3
14)
Comprimento de onda de emissão (nm)
Ponto P1 - Canal de Água Limpa Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)
350 400 450 500 550 6000
50
100
150
200
250
300
F/C
OD
(E
xc 3
14)
Comprimento de onda de emissão (nm)
Ponto P0 - Estação Olaria Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)
Espectroscopia de Fluorescência
Ponto COD FR IF370 S298 S480 Fonte provável
Olaria 6,87 1,56 62,19 7,41 5,31
± 1,85 ± 0,09 ± 13,85 ± 2,24 ± 1,11
P1 8,47 1,67 57,42 12,06 4,24
± 3,95 ± 0,23 ± 22,05 ± 18,51 ± 2,40
P2 8,68 1,80 68,08 9,67 3,96 autóctone
± 2,61 ± 0,09 ± 16,90 ± 8,48 ± 0,94
P3 8,27 1,80 64,78 11,23 5,54 autóctone
± 3,70 ± 0,08 ± 49,07 ± 6,98 ± 2,94
P4 8,42 1,83 91,84 14,88 6,00 autóctone
± 6,27 ± 0,09 ± 48,89 ± 6,25 ± 3,09
P5 9,31 1,79 81,84 11,73 4,81 autóctone
± 5,76 ± 0,10 ± 53,45 ± 5,06 ± 3,04
P6 8,01 1,70 76,55 8,74 4,22
± 3,10 ± 0,05 ± 45,38 ± 2,23 ± 1,90
autóctone/ alóctone antrópico e pedogênico
autóctone/ alóctone antrópico e pedogênico
autóctone/ alóctone antrópico e pedogênico
Espectroscopia de Fluorescência
300 350 400 450 500 550 6000
5
10
15
20
25
30
35
40
F/C
OD
(E
xc_s
inc)
Comprimento de onda (nm)
Ponto Po - Estação Olaria Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)
300 350 400 450 500 550 6000
10
20
30
40
50
60
F/C
OD
(E
xc_s
inc)
Comprimento de onda (nm)
Ponto P3 - Umbarazinho Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)
300 350 400 450 500 550 6000
10
20
30
40
50
F/C
OD
(E
xc_s
inc)
Comprimento de onda (nm)
Ponto P6 - Balsa Nova Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)
300 350 400 450 500 550 6000
20
40
60
80
100
120
140
160
F/C
OD
(E
xc_s
inc)
Comprimento de onda (nm)
Ponto P1 - Canal de Água Limpa Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)
Espectroscopia de UV-vis e de Fluorescência
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
COD (mg/L)
Ab
so
rvân
cia
254 n
m
Coleta 21
Coleta 22
Coleta 23
Coleta 24
Coleta 25
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
COD (mg/L)
Inte
ns
ida
de
de
Flu
ore
sc
ên
cia
(u
. a
.)
Coleta 21
Coleta 22
Coleta 23
Coleta 24
Coleta 25
COD x Absorvância254 (r = 0,0187):
COD não é proveniente de fonte alóctone pedogênica
Hipótese: esgoto (alóctone antrópico) ou produtividade primária (autóctone)
COD x IF370/450 (r = -0,7293):
Correlação (+) indicaria substâncias húmicas;
Hipótese: esgoto (alóctone antrópico) ou produtividade primária (autóctone)
Clorofila-aProdutividade primária X
Fonte autóctone
Esgoto X N_NH3 e Fósforo
Fonte alóctone antrópica
Dados de Monitoramento
Implementa o modelo
SimulaAnálise estatística
Compara Vazão
Coeficientes K1 e K3Compara curva
de DBO
Compara curva de OD
Coeficientes K2 e K4
Verifica (campanhas)
Simulação para diferentes cenários de vazão
Ajusta para a vazão observada
Cenário de Referência
Banco de Dados
Matriz Fonte Poluição Análise de Sensibilidade
Cenário de crescimento industrial / populacional
Cenário de medidas de despoluição
Compara curvas da série de N
Coeficientes β1, β2, β3, αααα1, αααα5, αααα6, σσσσ1,
σσσσ3, σσσσ4, σσσσ6
Compara curva de Fósforo
Coeficientes β4, αααα2, αααα3, αααα4, σσσσ2, σσσσ5
Oxigênio Dissolvido
Respiração algal
DenitrificaçãoNitrificação
Decomposição da MO
ReaeraçãoFotossíntese
Redução de sulfato
Demanda pelo sedimento
� Utilização da formulação matemática proposta por Streeter – Phelps(1925), Brown e Barnwell (1985) e Chapra (1997);
O modelo QUAL2E
SOD
(sedimento)
DBO
carbonácea
DBO
carbonácea
P - orgP - org
P - dissP - diss
NO3
NO3
NO2
NO2
NH3
NH3
N - orgN - org
K2
K4
K3
K1
β4
σ5
α1ρ
Clorofila AClorofila A
σ2
β2
β3
β1
σ1
α1µ
α2µ
α2ρ
α4ρα
3µ
α6β2
α5β1
σ3
σ4
α1µ (F)
α1µ (1 - F)
O
x
i
g
ê
n
i
o
D
i
s
s
o
l
v
i
d
o
O
x
i
g
ê
n
i
o
D
i
s
s
o
l
v
i
d
o
Reaeração
atmosférica
Reaeração
atmosférica
SOD
(sedimento)
DBO
carbonácea
DBO
carbonácea
P - orgP - org
P - dissP - diss
NO3
NO3
NO2
NO2
NH3
NH3
N - orgN - org
K2
K4
K3
K1
β4
σ5
σ2
β2
β3
β1
α6β2
α5β1
σ3
σ4
O
x
i
g
ê
n
i
o
D
i
s
s
o
l
v
i
d
o
O
x
i
g
ê
n
i
o
D
i
s
s
o
l
v
i
d
o
Reaeração
atmosférica
Reaeração
atmosférica
Balanço de massa
[ ] [ ] [ ]RRR DBOKDBOK
dt
DBOd31 −−=
( ) [ ] ( )ANNH
KDBOKOOK
dt
dORs ραµαβαβα 43226115
412 −+−−−−−=
444314 NNA
dt
dNσβρα −−=
AFd
NNdt
dNµα
σββ 11
31143
1 −+−=
22112 NN
dt
dNββ −=
( ) AFNdt
dNµαβ 122
3 1−−=
12 4 1 5 1
dPA P P
dtα ρ β σ= − −
2 24 1 2
dPP A
dt d
σβ α µ= + −
1dAA A A
dt H
σµ ρ= − −
Modelagem do Nitrogênio
Modelagem do Fósforo
Modelagem da DBO
Modelagem de AlgasModelagem do Oxigênio
Dissolvido
K1
K2
K3
K4
β1
β2
β3
β4
σ2
σ3
σ4
σ5
α5
α6
Desoxigenação carbonácea (d-1)
Reaeração atmosférica (d-1)
Sedimentação DBO (d-1)
Demanda de oxigênio pelo sedimento (g/m²d)
Oxidação amônia (d-1)
Oxidação nitrito (d-1)
Decaimento N_Org para N_NH3 (d-1)
Decaimento P_Org para P_Diss (d-1)
Taxa de aporte de P_Diss por fauna bentônica (g/m²d)
Taxa de aporte de N_NH3 por fauna bentônica (g/m²d)
Sedimentação de N_Org (d-1)
Sedimentação de P_Org (d-1)
Taxa de consumo de oxigênio por unidade de N_NH3 oxidado (mg_O/mg_N)
Taxa de consumo de oxigênio por unidade de nitrito oxidado (mg_O/mg_N)
Análise de Sensibilidade
Calibração Nitrogênio Total
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106
Distância Nascente - Foz (km)
Co
nc
en
traç
ão
N_T
ota
l (m
g/L
)
95%
5%
MEDIANA
Máximo
Mínimo
N_total (mg/L)
Rio Iraí Rio Iguaçu
P2 P3 P4
P5
P6
P1 P1
Calibração Fósforo
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106
Distância Nascente - Foz (km)
Co
nc
en
tra
çã
o P
_T
ota
l (m
g/L
)
95%
5%
MEDIANA
Máximo
Mínimo
P_Total (mg/L)
Rio Iraí Rio Iguaçu
P2 P3
P4
P5
P6
P1 P1
P0
Comparação – Calibração DBO
Curvas 1 e 3 – Variação dos coeficientes por tentativa e erro;
Curva 2 – Calibração através de algoritmo genético: Kondageski (2008);
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106
Distância Nascente - Foz (km)
Co
nc
en
tra
çã
o D
BO
(m
g/L
)
95%5%MEDIANAMáximoMínimoCurva 1Curva 2Curva 3
Rio Iraí Rio Iguaçu
P2
P3
P4
P5
P6
P1 P1
P0
Comparação – Calibração OD
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106
Distância Nascente - Foz (km)
Co
ncen
tra
ção
OD
(m
g/L
)
95%5%MEDIANAMáximoMínimoCurva 1Curva 2Curva 3Curva 4
Rio Iraí Rio Iguaçu
P2
P3
P4 P5 P6
P1P0
Curva 1 – Inclusão da modelagem de nitrogênio e fósforo;
Curva 2 - Calibração através de algoritmo genético: Kondageski (2008);
Curva 3 e 4 - Calibração através de tentativa e erro para simulação de OD e DBO: Porto et al. (2007)
Conclusões
� O monitoramento de campo se mostrou importante e fundamental para o processo de calibração, visto a necessidade de se ter dados conjuntos de QUANTIDADE e QUALIDADE;
Monitoramento de Campo
� A condição de pouca vazão + muita gente contribui para a baixa diluição dos poluentes, com melhora progressiva nos pontos P5 (Guajuvira) e P6 (Balsa Nova);
� Origem alóctone antrópica do carbono orgânico dissolvido (efluentes) = análise conjunta de parâmetros tradicionais de qualidade de água + espectroscopia.
� O rio Iguaçu, para a maior parte do trecho em estudo, encontra-se com padrões de qualidade fora de Classe 2 da Resolução CONAMA 357/05, no entanto, em condições ainda possíveis de recuperação;
Conclusões
Calibração e Simulação do Modelo
� A combinação dos coeficientes utilizados na calibração do modelo não éúnica, indicando que é necessário avançar na sua determinação em campo;
� Modelagem implica calibração = dados!!!
� A simulação para DBO, nitrogênio e fósforo confirmam o estado de degradação da qualidade da água, reflexo também da qualidade da água nos afluentes Palmital, Atuba, Belém, Padilha e Barigüi.
� Monitoramento + Modelagem = ferramentas conjuntas para a gestão de recursos hídricos.
� Avançar na otimização da matriz de fontes de poluição: atualização do cadastro de usuários, áreas de uso e ocupação do solo;
� Avançar no monitoramento, com a inclusão de novos parâmetros, nos procedimentos de coleta e determinação em laboratório, com a diminuição de incertezas e padronização dos métodos;
� Investigar a atividade biológica e o processo de reaeração, através da determinação dos coeficientes K1 e K2;
� Avançar nos procedimentos de calibração através de rotinas computacionais, com base em técnicas de otimização e inteligência artificial;
� Desenvolver um modelo de qualidade de água mais flexível.
Estudos futuros...
Muito Obrigada!!!
Heloise G. Knapik
Workshop sobre Monitoramento de Qualidade da Água em Bacias Urbanas