SUMÁRIO

PARTE ACONCEITOS BÁSICOS E ESTUDOS DE CARACfERIZAÇÃO

CAPÍTULO 1Introdução

í

Marcos von Sperling

1.1. PRELIMINARES 21

1.2. SISTEMA DE UNIDADES 21

1.3. INTRODUÇÃO À QUALIDADE DA ÁGUA 231.3.1. Preliminares 231.3.2. Parâmetros de qualidade das águas 261.3.3. Parâmetros físicos e físico-químicos 281.3.4. Parâmetros biológicos 37

1.4. PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA 38

1.5. LEGISLAÇÃO AMBIENTAL. 43

1.6. INTRODUÇÃO À MODELAGEM MATEMÁTICA DAQUALIDADE DA ÁGUA 471.6.1. Preliminares 471.6.2. Procedimento para modelagem 481.6.3. Definição dos objetivos do modelo 511.6.4. Concepção do modelo 521.6.5. Seleção do tipo de modelo 53

CAPÍTULO 2Características hidrológicas de riosMauro Naghettini, Marcos von Sperling

2.1. INTRODUÇÃO 59

2.2. A BACIA HlDROGRÁFICA 60

2.3. VAZÕES DOS CURSOS D' ÁGUA 64

2.4. VAZÕES DE REFERÊNCIA E VAZÕES DE ESTIAGENS 682.4.1. Vazões de estiagem 682.4.2. Vazões de referência para estudos de modelagem 702.4.3. Vazão de referência Q90 (ou Q95) 712.4.4. Vazão de referência Q7,1O 74

2.5. REGIONALIZAÇÃO DE VAZÕES E DESCARGA ESPECÍFICA 86

2.6. CONTRIBUIÇÕES AO LONGO DO PERCURSO 892.6.1. Preliminares 892.6.2. Contribuições e captações pontuais 892.6.3. Vazão incremental por drenagem direta 90

CAPÍTULO 3Princípios de hidráulica fluvial

Márcio Baptista, Marcos von Sperling

3.1. INTRODUÇÃO 97

3.2. CLASSIFICAÇÃO DOS ESCOAMENTOS 98

3.3. FUNDAMENTOS DO ESCOAMENTO EM CANAIS 1023.3.1. Equações fundamentais 1023.3.2. Parâmetros geométricos e hidráulicos característicos 1073.3.3. Variação da velocidade de escoamento 111

3.4. ESCOAMENTO UNIFORME 1133.4.1. Caracterização do escoamento uniforme 1133.4.2. Resistência ao escoamento - Fórmula de Manning 1143.4.3. Utilização da fórmula de Manning 1163.4.4. O coeficiente de rugosidade de Manning 129

CAPÍTULO 4Morfologia fluvial

Márcio Baptista, Marcos von Sperling

4.1. INTRODUÇÃO 139

4.2. ESCALAS E DINÂMICA DA CONFIGURAÇÃO DOSSISTEMAS FLUVIAIS 140

4.3. PROCESSOS DE FORMAÇÃO DO CANAL FLUVIAL.TRANSPORTE DE SEDIMENTOS : 1424.3.1. Transporte de sedimentos. Ciclo hidrosedimentológico 1424.3.2. Características do leito fluvial 1444.3.3. Princípio do movimento. Ábaco de Shields 1454.3.4. Quantificação do transporte de sedimentos 149

4.4. MORFOLOGIA DO LEITO E DO CANAL FLUVIAL EMESCALA LOCAL 1554.4.1. Seção transversal [ 1554.4.2. Leito fluvial 1574.4.3. Conformações topográficas localizadas 159

4.5. MORFOLOGIA DOS SISTEMAS FLUVIAIS 1604.5.1. Classificação dos canais 1604.5.2. Rios com canais únicos 1624.5.3. Rios com canais múltiplos 166

4.6. RELAÇÕES ENTRE CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS EMORFOLÓGICAS DOS RIOS 1704.6.1. Preliminares 1704.6.2. Velocidade de escoamento no curso d'água 1704.6.3. Profundidade e largura do curso d'água 1764.6.4. Declividade 180

CAPÍTULOSRios como reatores biológicos

Marcos von Sperling

5.1. INTRODUÇÃO 185

5.2. CINÉTICA DE REAÇÕES 1865.2.1. Tipos de reações 1865.2.2. Reações de ordem zero ; 1895.2.3. Reações de primeira ordem 1905.2.4. Interpretação do coeficiente de reação K 1915.2.5. Métodos de integração das equações diferenciais 1925.2.6. Influência da temperatura 196

5.3. TRANSPORTE E BALANÇO DE MASSA : 1975.3.1. Transporte de massa em rios 1975.3.2. Balanço de massa em um compartimento de rio 1985.3.3. Estado estacionário e estado dinâmico 200

5.4. REPRESENTAÇÃO HIDRÁULICA DE RIOS COMO REATORES 2015.4.1. Introdução 2015.4.2. Reator de fluxo em pistão ideal 2025.4.3. Reator de mistura completa ideal 2085.4.4. Reatores de mistura completa em série 2125.4.5. Fluxo disperso 2195.4.6. Mistura lateral 229

5.5. AS EQUAÇÕES DA MISTURA EM LANÇAMENTOS PONTUAIS ... 232

CAPÍTULO 6Monitoramento da qualidade da água de rios

Marcos von Sperling

6.1. INTRODUÇÃO 237

6.2. PROGRAMAÇÃO DE MONITORAMENTO 2396.2.1. Planejamento da amostragem 2396.2.2. Tipos de amostras 2416.2.3. Pontos de ámostragem 2466.2.4. Coleta e análise das amostras 2476.2.5. Parâmetros a serem monitorados 249

6.3. ÍNDICES DE QUALIDADE DA ÁGUA 2526.3.1. Preliminares 2526.3.2. Índice de qualidade da água (IQA) 2536.3.3. Índice de toxicidade (IT) 2596.3.4. Índice do estado tráfico (IET) 2616.3.5. Índice de diversidade de espécies 263

6.4. AV ALIAçÃO ESTATÍSTICA DE DADOS DEMONITORAMENTO 2706.4.1. Introdução 2706.4.2 .. Métodos numéricos para a descrição de dados quantitativos 2716.4.3. Métodos gráficos para a descrição de dados 277

PARTE BMODELAGEM E CONTROLE DA QUALIDADE DA ÁGUA

CAPÍTULO 7Poluição de rios por matéria orgânica e formas de controle

Marcos von Sperling

í7.1. INTRODUÇÃO 295

7.2. ASPECTOS ECOLÓGICOS DA AUTODEPURAÇÃO 2967.2.1. Aspectos gerais 2967.2.2. Zonas de auto depuração 297

7.3. O BALANÇO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO 3027.3.1. Fatores interagentes no balanço de OD 3027.3.2. Modelos de qualidade das águas 3077.3.3. A curva do oxigênio dissolvido 309

7.4. FORMAS DE CONTROLE DA POLUIÇÃO POR MATÉRIAORGÂNICA 3097.4.1. Alternativas de controle 3097.4.2. Processos de tratamento de esgotos para a remoção de DBO 312

CAPÍTULOSModelagem clássica do oxigênio dissolvido (modelo de Streeter-Phelps)

Marcos von Sperling

8.1. INTRODUÇÃO 317

8.2. CINÉTICA DA DESOXIGENAÇÃO 3188.2.1. Formulação matemática 3188.2.2. Coeficiente de desoxigenação KJ 3218.2.3. Coeficiente de remoção de DBO efetiva no rio (Kj) 3258.2.4. Resumo dos valores dos coeficientes de decomposição

daDBO 3278.2.5. A influência da temperatura 328

8.3. CINÉTICA DA REAERAÇÃO 3298.3.1. Formulação matemática 329

8.3.2. O coeficiente de reaeração K2 •••••••.•.••••••.••••.•.•.••.•.••••••.•.•.••.•.•.••••.• 3318.3.3. A influência da temperatura 344

8.4. AS EQUAÇÕES DA MISTURA ESGOTO - RIO : 345

8.5. A CURVA DE DEPLEÇÃO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDOSEGUNDO O MODELO DE STREETER-PHELPS 3468.5.1. Cálculo do perfil de oxigênio dissolvido em função do tempo 3468.5.2. Cálculo do tempo crítico 3488.5.3. Cálculo do déficit crítico e da concentração crítica de oxigênio 3508.5.4. Cálculo da eficiência requerida para o tratamento 351

8.6. OBTENÇÃO DOS DADOS DE ENTRADA PARA O MODELO 3518.6.1. Dados necessários 3518.6.2. Vazão de esgotos (Qe) 3528.6.3. Oxigênio dissolvido no rio, a montante do lançamento (ODr) 3528.6.4. Oxigênio dissolvido no esgoto (ODe) 3538.6.5. DBOs no rio, a montante do lançamento (DBOr) 3548.6.6. DBOs do esgoto (DBOe) ......•........................................................ 3548.6.7. Coeficiente de desoxigenação (K1) e de decomposição da

DBO (~) 3568.6.8. Coeficiente de reaeração (K2) 3568.6.9. Concentração de saturação de OD (Cs) 3578.6.10. Oxigênio dissolvido mínimo permissível (ODmín) e

DBO máxima permissível (DBOmán) 358

8.7. APLICAÇÃO DO MODELO DE STREETER-PHELPS PARALANÇAMENTO PONTUAL ÚNICO 359

8.8. APLICAÇÃO DO MODELO DE STREETER-PHELPS PARACONTRIBUIÇÕES MÚLTIPLAS 378

8.9. VAZÃO E CARGAS INCREMENTAIS POR DRENAGEM DIRETAE POLUIÇÃO DIFUSA 381

8.10. MODELO DE OD EM CONDIÇÕES DE FLUXO DISPERSO 389

CAPÍTULO 9Modelagem avançada do oxigênio dissolvido

Marcos von Sperling

9.1. INTRODUÇÃO 397

9.2. MODELAGEM DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO EM CONDIÇÕESDE ANAEROBIOSE 397

9.3. SEDIMENTAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA 4089.3.1. Conceitos gerais 4089.3.2. Coeficiente de remoção global de DBO no rio (K) 4099.3.3. Coeficiente de remoção de DBO por sedimentação (Ks) 4119.3.4. Resumo dos valores dos coeficientes de remoção de DBO 4119.3.5. Perfil de OD e DBO considerando a sedimentaçã0-r 412

9.4. CONSUMO DE OXIGÊNIO PELA NITRIFICAÇÃO 4149.4.1. Fenômenos interagentes 4149.4.2. Modelagem simplificada do nitrogênio 4169.4.3. Consumo de oxigênio na nitrificação 4189.4.4. Coeficientes do modelo de nitrogênio 420

9.5. CARGAS DIFUSAS INTERNAS (DEMANDA DO SEDIMENTO,RESPIRAÇÃO, FOTOSSÍNTESE) 4219.5.1. Preliminares 4219.5.2. Demanda de oxigênio do sedimento 4219.5.3. Fotossíntese e respiração 4269.5.4. Carga difusa de DBO (sem vazão) 4289.5.5. Análise da não consideração dos fenômenos da sedimentação,

demanda bentônica, fotossíntese e respiração 430

9.6. MODELO COMPLETO DE DBO E OD NO CURSO D'ÁGUA 4319.6.1. Equações do modelo completo de OD e DBO 4319.6.2. Implementação computacional do modelo de OD e DBO

em planilha eletrônica 4359.6.3. Exemplo de aplicação do modelo completo de OD e DBO

com integração numérica 437

CAPÍTULO 10Modelagem do nitrogênio e fósforo

Marcos von Sperling

10.1. MODELAGEM DO NITROGÊNIO 45510.1.1. Formas do nitrogênio , .45510.1.2. Conversão da matéria nitrogenada 46110.1.3. Modelagem do nitrogênio em cursos d'água 466

10.2. MODELAGEM DO FÓSFORO : 47110.2.1. Formas do fósforo 47110.2.2. Implicações do fósforo no meio aquático 47410.2.3. Fontes de fósforo 47710.2.4. Relação NIP em curso d'água 47910.2.5. Modelagem do fósforo em cursos d'água 480

10.3. CONTROLE DO NITROGÊNIO E DO FÓSFORO 482

CAPÍTULO 11Modelagem de coliformes

Marcos von Sperling

11.1. ORGANISMOS PATOGÊNICOS E INDICADORES DECONTAMINAÇÃO FECAL 49311.1.1. Organismos patogênicos 49311.1.2. Classificação ambiental das infecções relacionadas com a água .. 49411.1.3. Organismos indicadores de contaminação fecal .497

11.2. MODELAGEM DE COLIFORMES EM CURSOS D'ÁGUA 50411.2.1. Preliminares' 50411.2.2. Cinética do decaimento bacteriano 504

\ -11.3. CONTROLE DA CONTTAMINAÇAO POR ORGANISMOSPA TOGÊNICOS 50911.3.1. Eficiência requerida na remoção de coliformes 50911.3.2. Remoção de coliformes nos processos usuais de tratamento

de esgotos 51111.3.3. Desinfecção dos esgotos 511

CAPÍTULO 12Calibração de modelos e análise da incerteza

Marcos von Sperling

12.1. CALIBRAÇÃO DE MODELOS 52312.1.1. 'Preliminares 52312.1.2. Minimização de função de erro 52512.1.3. Avaliação do ajuste do modelo 52612.1.4. Calibração usando a ferramenta Solver do Excel... 536

12.2. VERIFICAÇÃO DO MODELO (ANÁLISE DOS RESÍDUOS) 542

12.3. ANÁLISE DA INCERTEZA 54312.3.1. Preliminares : 54312.3.2. Simulação Monte Carlo 545

12.4. ANÁLISE DE SENSIBILIDADE 55712.4.1. Preliminares 55712.4.2. Análise de sensibilidade informal l 55712.4.3. Análise de erros de primeira ordem 55912.4.4. Análise de sensibilidade por simulação Monte Carlo 56012.4.5. Utilização da Análise da Incerteza para calibração de modelos 565

CAPÍTULO 13Modelo de qualidade da água de rios QUAL-UFMG

Marcos von Sperling

13.1. INTRODUÇÃO 567

13.2. UTILIZAÇÃO DO PROGRAMA QUAL-UFMG 569

13.3. RESULTADOS FORNECIDOS PELO QUAL-UFMG 574

REFERÊNCIAS ...•.•.•.•.•.•••..•••.•.•....•.••...••••..•..•..•..•..........•..•.•.•.•.•.•.•.•................•577