MONTAGEM DE UM CANAL RETANGULAR HIDRÁULICO...

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Autor: Michele dos Santos Lopes

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Lubienska C. L. Jaquiê Ribeiro

MONTAGEM DE UM CANAL RETANGULAR

HIDRÁULICO PARA O ESTUDO EXPERIMENTAL

DA DISPERSÃO DE UM TRAÇADOR

CONSERVATIVO

Limeira, 2016

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Autor: Michele dos Santos Lopes

MONTAGEM DE UM CANAL RETANGULAR

HIDRÁULICO PARA O ESTUDO EXPERIMENTAL

DA DISPERSÃO DE UM TRAÇADOR

CONSERVATIVO

Dissertação apresentada ao Cursode Mestrado da Faculdade deTecnologia da UniversidadeEstadual de Campinas, comorequisito para a obtenção do títulode Mestra em Tecnologia

Área de Concentração: Ambiente

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Lubienska C. L. JaquiêRibeiro

Limeira, 2016

Agradecimentos

Á Deus, sempre.

Á CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior), pelo apoio

recebido para o desenvolvimento deste trabalho.

Á Professora DrªLubienska C. L. Jaquiê Ribeiro pela orientação, paciência e confiança para a

realização deste trabalho.

Ao técnico do Laboratório de Hidráulica, Antônio Carlos Reginaldo, pela parceria, estimulo,

dedicação e incansável esforço para melhorias do trabalho.

Ao técnico do Laboratório de Fisico-Químico, Geraldo Dragoni, que contribuiu de forma

significativa para a montagem do presente trabalho.

Aos Professores Drs. Roberto e Erich, membros da banca de Qualificação, pelas contribuições

de grande valia para o desenvolvimento deste trabalho.

Ao Luis Augusto e João, por todo o auxílio em dias de testes.

Á minha família, que apoiou meu sonho e me dispensou amor incondicional.

Resumo

LOPES, M. S. Montagem de um canal retangular hidráulico para o estudo experimental

da dispersão de um traçador conservativo. 2016. Dissertação (Mestrado em Tecnologia),

Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia, Limeira, SP.

Com as transformações climáticas e ambientais consequentes das ações humanas, esforços

estão sendo realizados para encontrar estratégias que ajudem no gerenciamento dos recursos

hídricos. Compreender o fluxo, a dispersão e a decomposição dos compostos presentes nos

efluentes lançados em canais naturais é de extrema importância para a solução de vários

problemas presentes no despejo de efluente industriais em rios. A quantificação de parâmetros

de transporte e dispersão de poluentes são importantes para verificação do espalhamento da

pluma de poluentes para a determinação da sua concentração ao longo de um canal. Dessa

forma, considera-se que para se medir a facilidade ou não do curso d’água para transportar e

dispersar um poluente é necessária a quantificação do coeficiente de dispersão longitudinal,

um importante parâmetro físico de qualidade da água. Neste trabalho foi restaurado um canal

retangular hidráulico para determinação da capacidade de transporte e dispersão de efluentes

solúveis, ou seja, a obtenção do coeficiente de dispersão longitudinal característico, fazendo

uso da aplicação de técnicas de campo com aplicação de traçador através de injeção contínua.

A quantificação do coeficiente de dispersão se dá através de dez métodos matemáticos,

aplicados a dados laboratoriais. E ao final é proposto um modelo matemático de previsão do

coeficiente de dispersão deduzido a partir de quantidades físicas mensuráveis. Essa pesquisa

permitiu contribuir para critérios legais na busca por novas técnicas para prever o impacto

ambiental das emissões lançadas nos rios.

Palavras-chave: dispersão de poluentes, experimentação em laboratório, conduto livre,

traçadores, coeficiente de dispersão.

Abstract

LOPES, M. S. Assembly of a hydraulic rectangular channel for the experimental study of

dispersion of a conservative tracer. 2016. Dissertation (Master of Technology), University

State of Campinas, Faculty of Technology, Limeira, SP.

Climate and environmental changes resulting from human actions, efforts are being made to

find strategies to help in the management of water resources. Understanding the flow,

dispersion and decomposition of compounds present in the effluents discharged into natural

channels is of utmost importance for the solution of various problems present in the discharge

of industrial effluent into rivers. The quantization parameters of transport and dispersion of

pollutants are important to check the spread of pollutants plume for determination of

concentration over a channel. Thus, it is considered that to measure the ease or otherwise of

the watercourse to transport and disperse polluting quantification of longitudinal dispersion

coefficient is required, an important physical parameter water quality. This work was restored

a hydraulic rectangular channel for determining the transmission capacity and dispersion of

soluble effluent, namely obtaining the characteristic longitudinal dispersion coefficient,

making use of the scope of application tracer techniques by continuous injection. The

quantification of the dispersion coefficient is through ten mathematical methods applied to

laboratory data. And at the end I propose a mathematical model for predicting the dispersion

coefficient deduced from measurable physical quantities. This research allowed to contribute

to legal criteria in the search for new techniques to predict the environmental impact of

emissions released into the rivers.

Keywords: dispersion of pollutants, laboratory experimentation, free canal, tracers, scattering

coefficient.

Lista de Figuras

Figura 01 - Classificação dos escoamentos em canais abertos.................................................21

Figura 02 - Dispersão longitudinal............................................................................................24

Figura 03 - Dispersão de poluente............................................................................................24

Figura 04 - Perfil Longitudinal de concentração.....................................................................32

Figura 05 - Mapa geral do Laboratório.....................................................................................36

Figura06 - Mapa do trecho estudado.........................................................................................37

Figura 07 - Sistema de circulação de água do laboratório, o canal sem reforma......................38

Figura 08 - Sistema de circulação de água do laboratório, o reservatório01 sem reforma...... 38

Figura 09 - Sistema de circulação de água do laboratório, o reservatório02 sem reforma.......39

Figura 10 - Máquinas obsoletas do laboratório.........................................................................39

Figura 11 - Modelo didático de canal.......................................................................................40

Figura 12 - Modelo didático de canal.......................................................................................41

Figura 13 - Sistema todo impermeabilizado.............................................................................42

Figura 14 - Máquina instalada..................................................................................................43

Figura 15 - Curva da bomba instalada......................................................................................43

Figura 16 - Canal revestido com calha......................................................................................43

Figura 17 - Esquema do sistema funcionando..........................................................................44

Figura 18 - Registro entre os dois reservatórios.......................................................................44

Figura 19 - Equipamento de Desinfecção - Ozonizador...........................................................45

Figura 20 -Azul de metileno em contato com ozônio...............................................................46

Figura 21 -Azul de metileno com10 minutos de contato com ozônio......................................46

Figura 22 - Azul de metileno com 25 minutos de contato com ozônio....................................46

Figura 23 - Condutivímetro.......................................................................................................47

Figura 24 - Curva de Calibração NaCl......................................................................................48

Figura 25 - Curva de Calibração KCl.......................................................................................48

Figura 26 - Caixa de Armazenamento......................................................................................49

Figura 27 - Caixa de Armazenamento com o suporte de ferro.................................................49

Figura 28 - Hidrômetro.............................................................................................................50

Figura 29 - Registro para controle da vazão de despejo...........................................................50

Figura 30 - Registro Geral........................................................................................................50

Figura 31- Mangueira para controle do nível da solução do reservatório................................51

Figura 32 - Seringa de 60 mL com adaptação de mangueira....................................................51

Figura 33 - Sistema Coletor......................................................................................................52

Figura 34 - Alturas de coleta.....................................................................................................52

Figura 35- Testes para determinação dos pontos de coleta.......................................................53

Figura 36 - Formas de Despejo e Coleta...................................................................................54

Figura 37 - Teste com despejo central e coletor central...........................................................55

Figura 38 - Gráfico observativo da dispersão...........................................................................55

Figura 39 - Teste com despejo central e três coletores.............................................................56


Figura 41 - Teste com despejo lateral e três coletores..............................................................57


Figura 43 - Ressalto de fundo...................................................................................................58

Figura 44 - Canal com e sem o ressalto..................................................................................59

Figura 45 - Vista superior dos coletores...................................................................................59

Figura 46 - Coletores nos pontos de coleta...............................................................................60

Figura47 - Tubo de Pitot...........................................................................................................61

Figura 48 - Perfil de Velocidade do Canal Retangular.............................................................63

Figura 49 - Variação da Velocidade e da Variação da Área em Relação a Distância doCanal.........................................................................................................................................63

Figura 50 - Reservatório de despejo e coletores.......................................................................64

Figura 51 - Dispersão NaCl......................................................................................................67

Figura 52 - Dispersão KCl........................................................................................................67

Figura 53 - Dispersão do NaCl na superfície do canal.............................................................68

Figura 54 - Formação da Pluma com vista superior.................................................................69

Lista de Tabelas

Tabela 01: Reagentes e equipamentos utilizados na pesquisa..................................................35

Tabela 02 - Localização e Altura da Lâmina D'água nos pontos de coleta..............................59

Tabela 03 - Caracterização do Canal nos pontos de coleta.......................................................60

Tabela 04 - Caracterização dos pontos de coleta......................................................................62

Tabela 05 - Alturas e velocidades dos pontos de coleta...........................................................62

Tabela 06 - Número de Reynolds e Número de Froude...........................................................63

Tabela 07 - Resultados NaCl em μS/cm...................................................................................65

Tabela 08 - Resultados KCl em μS/cm.....................................................................................66

Tabela 09- Equações para obtenção de dados para a determinação do coeficiente de

dispersão....................................................................................................................................70

Tabela10: Coeficientes de dispersão em cada ponto de coleta.................................................71

Tabela 11: Características importantes para levantamento do coeficiente proposto................72

Lista de Equações

1- Equação de Reynolds............................................................................................................21

2- Equação de Froude...............................................................................................................22

3- Equação de Fick....................................................................................................................26

4- Fluxo Advectivo...................................................................................................................26

5- Equação de Taylor................................................................................................................27

6- Equação de Elder (1959)......................................................................................................28

7- Equação de McQuievy e Keefer (1974)...............................................................................28

8- Equação de Seo e Chong (1998)...........................................................................................28

9/10 - Equação de Deng et al (2001).........................................................................................28

11- Equação de Fisher (1979)...................................................................................................29

12- Equação de Nikora&Sukhodolov (1993)............................................................................29

13- Equação de Ribeiro et al (2010).........................................................................................29

14/15 - Equação de Liu (1977).................................................................................................29

16- Equação de Kashesfipoure Falconer (2002).......................................................................30

17/18/19 - Método dos Momentos............................................................................................30

20- Método de Propagação.......................................................................................................31

21- Método de Concentração....................................................................................................31

22- Equação de Área.................................................................................................................61

23-Equação de Área Molhada...................................................................................................61

24-Equação de Perímetro..........................................................................................................61

25-Equação de Raio Hidráulico................................................................................................61

26 - Equação de Devens et al (2006)........................................................................................70

27- Equação de Devens et al (2010)........................................................................................70

28- Equação de Ribeiro et al (2010).........................................................................................70

29- Equação de Velocidade Média...........................................................................................70

30 - Equação de Profundidade Média da Sessão......................................................................70

31 - Equação de Velocidade de Atrito......................................................................................70

32 - Equação da Vazão..............................................................................................................70

33- Equação do Coeficiente Proposto.......................................................................................72

Sumário

1Introdução...............................................................................................................................17

1.1 objetivos..................................................................................................................18

2 Fundamentação teórica..........................................................................................................20

2.1 Fluxo em canais.......................................................................................................20

2.2 Dispersão de poluentes............................................................................................22

2.2.1 Fórmulas Empíricas..................................................................................27

2.2.2 Métodos Diretos.......................................................................................30

2.3 Traçadores...............................................................................................................32

3 Procedimentos metodológicos...............................................................................................35

3.1 Materiais..................................................................................................................35

3.2 Descrição geral .......................................................................................................35

3.3Recuperação do canal Retangular Hidráulico..........................................................37

3.4Escolha do Traçador ................................................................................................40

3.5 Definição da Metodologia.......................................................................................40

4 Resultados Parciais................................................................................................................42

4.1 Reforma do Canal Retangular Hidráulico...............................................................42

4.2 Experimentos Realizados com traçador conservativo.............................................45

4.2.1 A escolha do Traçador..............................................................................45

4.2.2 Curvas de Calibração................................................................................47

4.3 Testes no Canal Didático.........................................................................................48

4.3.1 Característica do Canal Didático..............................................................48

4.3.2 Armazenamento do Traçador...................................................................49

4.3.3 Despejo do Traçador.................................................................................49

4.3.4 Método de Coleta das Amostras...............................................................51

4.3.5 Determinação das alturas de coleta..........................................................52

4.3.6 Determinação dos pontos de coleta..........................................................53

4.3.7 Diferentes formas de coleta......................................................................53

4.3.8 Resultados Obtidos...................................................................................54

4.3.9 Análises dos resultados............................................................................58

4.4 Testes no Canal Retangular.....................................................................................58

4.4.1 Determinação dos pontos de coleta..........................................................59

4.4.2 Caracterização do canal............................................................................60

4.4.3 Determinação das alturas de coleta..........................................................62

4.4.4 Estudo da dispersão..................................................................................64

4.4.5 Análises dos resultados obtidos no canal retangular................................69

4.5 Levantamento de dados para obtenção do coeficiente de dispersão.......................70

5 Resultados e Discussão..........................................................................................................71

6 Conclusão...............................................................................................................................73

7 Referências.............................................................................................................................75

17

1. Introdução

De acordo com estudo divulgado pela Organização das Nações Unidas (ONU) em

2003, em média 5 milhões de pessoas poderão sofrer com a falta de água potável até metade

do século XXI, e hoje 2016, depois de 12 anos desse estudo, pode-se confirmar sua

veracidade.Atualmente o Brasil sofre as consequências de um crescimento desordenado tanto

industrial como urbano, essas consequências, estão presentes principalmente na poluição

causada pelo homem, destruindo florestas, poluindo ar, água e solo.Elas já podem ser

percebidas e devagar as pessoas estão tomando conhecimento dos riscos envolvidos no uso

indevido dos recursos naturais, principalmente quando a possibilidade de escassez de água

doce está cada vez mais próxima e com lugares que já enfrentam a escassez e experiências de

racionamento de água potável.

Com esse panorama surge o interesse das agencias ambientais e consequentemente das

industrias no desenvolvimento de atividades de pesquisa e programas para reduzir emissão de

efluentes e prever o impacto ambiental das emissões, bem como, para o tratamento de corpos

d’água já poluídos. Para a previsão de impacto das emissões em rios são necessários modelos

matemáticos eficientes, confiáveis e capazes de representar as transformações físicas,

químicas e biológicas que ocorrem dentro do rio, sendo desejável saber as concentrações dos

poluentes após o rio receber as emissões ao longo de sua extensão. Neste cenário, iniciam os

esforços para encontrar estratégias que ajudarão a gerenciar os recursos de maneira mais

criteriosa.

Muitos centros de pesquisas investem em estudos para tratamento de reuso da água,

trabalhos sustentáveis, educação ambiental, dispersão de poluentes, captação alternativa de

água, dentre outros. Compreender o fluxo, a dispersão e a decomposição dos compostos

presentes nos efluentes lançados em canais naturais é de extrema importância para a solução

de vários problemas presentes no despejo de efluente industriais em rios. Entre estes

problemas destacam-se a escolha do melhor ponto de emissão de um efluente, a determinação

da distância necessária para a dispersão e a distância para que ocorra a degradação das

substâncias biodegradáveis.

A compreensão das questões ambientais pode influenciar positivamente o grau de

conscientização dos agentes envolvidos na busca pela distribuição justa e a sustentabilidade

do uso dos recursoshídricos, além de contribuir para o avança do conhecimento científico

entre as relações sociais, econômicas e ecológicas. Portanto, a modelagem de um processo

físico presente em um sistema hídrico qualquer não é uma tarefa simples, como todo sistema

18

natural, os sistemas hídricos são complexos cujo entendimento depende da interação entre

vários ramos da ciência, como a hidráulica, hidrologia, transporte de massa entre outros.

Sendo, importante desenvolver ferramentas numéricas preditivas do impacto causado por

novas emissões de efluentes em um rio e por outras situações que ponham em risco o

equilíbrio ambiental.

Modelos matemáticos que envolvem a sociedade e suas inter-relações com o seu

entorno é uma ferramenta poderosa para levantamento de resultados e cenários possíveis para

entender e tomar decisões futuras.Mas para isso é necessário a quantificação de parâmetros

para compor esses modelo. Quando se fala em modelos que possam prever o impacto

ambiental das emissões em busca da solução de vários problemas causados aos rios, os

parâmetros de transporte e dispersão de poluentes solúveis é de grande importância

principalmente em estudos que utilizam modelos de qualidade de águas, que levem em

consideração a influência do espalhamento de poluentes para a determinação da variação da

sua concentração, ao longo do rio.

Na tentativa de oferecer subsídios para adequado gerenciamento da avaliação da

qualidade da água de cursos d’água naturais a proposta desse projeto de pesquisa é construir

um módulo em laboratório capaz de simular um canal retangular hidráulico e verificar através

de análises experimentais um importante parâmetro físico de qualidade da água, o coeficiente

de dispersão longitudinal, que mede a maior ou menor facilidade encontrada pelo curso

d’água para dispersar um poluente em suas águas.

Se espera que os resultados desse projeto possam ser promissores contribuindo

enormemente para a descoberta de nova técnica para prever o impacto ambiental das emissões

lançadas nos rios, de modo que as estratégias possam ser concebidas para diminuir os efeitos

da poluição.

1.1 Objetivo

Este projeto tem como objetivo restaurar e equipar um canal retangular hidráulico de

laboratório para determinação da capacidade do corpo hídrico de dispersão de efluentes

solúveis, ou seja, desenvolver uma metodologia pata obter o coeficiente de dispersão

longitudinal característico para o canal, fazendo uso de aplicação de técnicas de campo com

uso de traçador através de injeção contínua.

19

Objetivos específicos:

Identificar as características existentes no canal do laboratório da Faculdade de

Tecnologia e providenciar as mudanças necessárias para sua utilização dentro

da pesquisa;

Estudar, através de experimentação em módulo didático de canal, o traçador a

ser utilizado no sistema, levantar a curva de calibração do traçador, os pontos

de coleta e a metodologia para realização das coletas;

Realizar o levantamento das características do sistema a ser estudado, dentre

tais característica estão as dimensões do canal, o perfil de velocidade, vazão,

ou seja, identificar o escoamento que será utilizado na pesquisa;

Estudar os melhores cenários a serem configurados. Realizar testes nos

cenários, garantindo a obtenção da curva de passagem do traçador;

Prover embasamento científico que permita contribuir para critérios legais na

busca por novas técnicas para prever o impacto ambiental das emissões

lançadas nos rios.

20

2. Fundamentação Teórica

2.1 Fluxo em Canais

Provavelmente os canais foram originados por processos naturais, como por exemplo

os rios, riachos, ou por processos artificiais, como canais de navegação, irrigação e valas de

drenagem. O fluxo em canais é bem semelhante ao fluxo em um tubulações, diferenciando

apenas pela presença da superfície livre no canal chamado de conduto livre, já no tubo essa

superfície livre não ocorre, o fluído preenche todo o tubo e é induzido por uma diferença de

pressão sendo considerado conduto forçado. Porem, em canais abertos a grande dificuldade é

que a posição da superfície pode mudar com o tempo e espaço (MACHADO, 2006).

A taxa de escoamento em canal aberto é estabelecida pelo balanço dinâmico entre a

gravidade e o atrito. A superfície livre coincide com a linha piezométrica e a pressão é

constante ao longo da superfície livre. Mas a altura da superfície livre em relação ao fundo do

canal e todas as dimensões da seção transversal do escoamento ao longo desse não são

conhecidas a priori, elas variam juntamente com a velocidade média do escoamento. A

pressão em um canal varia hidrostaticamente na direção vertical quando o escoamento é

constante e completamente desenvolvido (ÇENGEL E CIMBALA, 2007).

Os escoamentos podem ser classificados como permanentes e não-permanentes. Se

não houver variação com o tempo em determinado local, ou seja se a profundidade não variar

com o tempo em nenhuma posição ao longo do canal, nesse caso o escoamento é permanente.

E ele será não-permanente no caso contrário. É oportuno observar que a importância relativa

dos vários tipos de forças (pressão, peso, atrito e inércia) são diferentes em cada um destes

tipos de escoamento.

Para o escoamento permanente ou não-permanente os fluxos em canais podem ser

classificados de acordo com as variações ocorridas na profundidade do fluxo ao longo do

canal (Figura 01):

Escoamento uniforme (EU) : ocorre quando a profundidade do fluxo é

considerada constante (velocidade média) em qualquer seção transversal do

canal estudado . Ou seja as velocidades locais são paralelas entre si

e constantes ao longo de uma mesma trajetória. Linha d’água é paralela ao

fundo.

Escoamentonão uniforme ou variado (EV): ocorre quando a profundidade do

fluxo varia ao longo do comprimento do canal na direção do escoamento

21

. Ou Seja, a declividade da linha d’água não é paralela à declividade

de fundo e os elementos característicos do escoamento variam de uma seção

para outra. São considerados como escoamentos com variação rápida (EVR) se

a profundidade do escoamento varia consideravelmente numa distância

relativamente pequena . Escoamentos com variação gradual (EVG)

são aqueles em que a profundidade do escoamento varia pouco ao longo do

canal .

Figura 01 - Classificação dos escoamentos em canais abertos.

Fonte: MUSON, 2004.

Em canais abertos de inclinação constante e seção transversal, o líquido acelera até

que a perda de carga devida aos efeitos do atrito seja igual à queda da elevação, nesse ponto o

líquido atinge sua velocidade terminal e o escoamento uniforme é estabelecido. A presença de

uma obstrução no canal, como uma comporta ou uma variação na inclinação ou na seção

transversal, faz com que a profundidade de escoamento varie e, portanto, o escoamento torna-

se variado (ÇENGEL E CIMBALA, 2007).

O fluxo em canais pode ser classificado como: laminar, de transição ou turbulento. O

parâmetro adimensional que relaciona as forçasde inércia e as viscosas, é o número de

Reynolds (Re), definida pela Equação 01.=ⱱ=

ⱱ(01)

22

Sendo:V a velocidade característica do escoamento (m/s) (velocidade média), Lc o

comprimento característico do canal (m) (raio hidráulico), Rh o raio hidráulico e a

viscosidade cinemática (m2/s).

Conforme Porto (2001) a classificação acontece da seguinte forma:

Re < 500 - Laminar

500 ≤ Re ≤ 1200 - Transição

Re> 2000 - Turbulento

O fluxo laminar ocorre quando as forças viscosas predominam sobre as forças

inerciais. Já no turbulento, as forças inerciais são as que predominas.A velocidade de

escoamento varia na direção do escoamento na maioria dos casos.As características

doescoamentoem canal abertodependem de como o fluido se movimenta e

comoumaondatípica se deslocaemrelaçãoaofluido. O parâmetro adimensional que descreve

este comportamento é o número de Froude (Equação 02):

(02)

Sendo,V a velocidade média (m/s), g a gravidade (m/s2) eya profundidade média (m).

O caso especial do escoamento com número de Froude unitário, Fr = 1, é

denominadoescoamentocrítico. Se o número de Froude é menor do que 1, o escoamento é

subcrítico (ou tranqüilo) e se o escoamento apresenta número de Froude maior do que 1 é

denominadosupercrítico (ourápido) (MUNSON, 2004). Portanto, é de fundamental

importância conhecer bem o canal estudado e consequentemente as características do seu

escoamento, assim possibilita saber quais as características se devem levar em conta ao

efetuar os cálculo da dispersão de poluentes nos cursos d’água, pois conhecer o corpo d'água

de forma efetiva e saber quais poluentes existem nele, fica mais fácil controlá-lo e mantê-lo

em equilíbrio.

2.2 Dispersão de poluentes

O controle da poluição de cursos d'água é uma das principais metas para alcançar a

sustentabilidade, e esse controle está ligado a muitos fatos, dentre eles tem-se o

monitoramento de cenários e degradação de mananciais. Devido a grande contaminação de

mananciais, por diversas fontes contaminantes, faz-se necessário conhecer e entender como

esses poluentes se comportam, já que a grande disposição dos resíduos gerados pelas

23

atividades humana estão em rios. Esses despejos de resíduos podem ser controlados ou

descontrolados, mas em ambos os casos é necessário antecipar zonas de segurança e zonas

críticas. Na primeira zona, a água deve apresentar seus padrões de qualidade conciliável com

seus vários tipos de uso, já na segunda zona, medidas são tomadas para melhorar a qualidade

da água(GARCIA et al, 2007).

Machado (2006) diz que a dispersão é um fenômeno de transporte de efluentes. Nos

estudos de Soares (2011) é possível verificar dois tipos de processos físicos que os poluentes

são transportados em fluidos. O primeiro tipo é através da circulação da massa de um local

para outro do fluido, ou seja, processo de convecção, que ocorre em grande nível devido a

circulação da água. O segundo tipo é aparentemente aleatório, que ocorre dentro do processo

de mistura entre o poluente e o fluido, conhecido também por difusão, nesse processo o

poluente se descola de um local do fluido onde sua concentração é alta, para outro local onde

sua concentração é baixa, recorrente ao movimento de moléculas.O termo convectivo é

usualmente restrito á transferência vertical de calor, quando o calor é transportado

horizontalmente,esse movimento convectivo é mais conhecido como advecção.

Portanto, pode-se dizer que o efeito resultante da ação conjunta da difusão molecular

e/ou turbulenta e da advecção diferenciada é a dispersão. A Figura 02, ilustra o

funcionamento da dispersão longitudinal. Para melhor entender a Figura 02, Gobbi (2007)

explica que no painel superior a concentração do poluente está localizada e uniforme na

vertical. Algum tempo depois, o cisalhamento da advecção pelo corpo d'água está com maior

velocidade na parte superior que na parte inferior, além de advectar o poluente canal abaixo,

provoca um efeito, se assemelhando a uma difusão. Esse efeito é chamado de dispersão.

24

Figura 02 - Dispersão longitudinal.

Fonte: GOBBI, 2007.

Na Figura 03 é possível verificar o fenômeno de dispersão de efluentes industriais em

rios. O efluente é lançado com uma dada vazão constante Qe(vazão de entrada (m3/s)) na

lateral do rio que escoa com uma vazão também constante Qr (vazão do rio (m3/s)). À medida

que percorre o leito do rio, a pluma formada de efluente vai se expandindo ao longo da zona

de mistura, de comprimento Ld (m), até atingir uma zona de mistura completa, onde não há

mais dispersão significativa. A partir desse ponto, apenas as reações de decomposição da

substâncias em estudo, caso seja um componente degenerativo, devem ser levadas em

consideração (MACHADO, 2006).

Figura 03 - Dispersão de poluente.

Fonte: MACHADO, 2006

Visto como a dispersão dos poluentes podem ocorrer em um corpo d’água, acredita-se

que o controle da poluição dos recursos hídricos, segundo Nascimento & Heller (2005), trata-

se de um problema complexo, quando se leva em conta as particularidades, tais como a não

25

uniformidade da distribuição espacial da água no Planeta, a sazonalidade da sua distribuição

temporal e sua aleatoriedade. É nesse contexto que verifica-se a necessidade de modelos

matemáticos, pois eles adaptados a realidade podem contribuir para a preservação dos

recursos hídricos ao prever o transporte de poluentes em cursos d’água.

De acordo com Sodré (2007), um modelo matemático é uma representação de um

sistema real, ou seja, o modelo simplifica a realidade, mas é tão preciso quanto os detalhes

reais. Para Melo (2009) modelos matemáticos que são destinados ao controle de poluentes e

de qualidade de águas, são importantíssimos na tomada de decisões, principalmente no Brasil,

que possui bacias imensas e um vasto conjunto de elementos naturais, assim o modelo deve

permitir a representação espacial da região, de forma a considerar fontes difusas juntamente

com fontes pontuais de poluição. Porem, quando o assunto é restrito a dispersão de poluentes,

há uma dificuldade muito grande para se obter a modelagem, pois conseguir dados

experimentais confiáveis é difícil devido ao fluxo dos canais abertos, por isso o modelo deve

ser calibrado através da obtenção de dados experimentais.

Machado (2006) mostra que muitos estudos são realizados para compreender as

características gerais do canal, desde geometria, até estrutura do material sedimentado. Alerta

ainda, que esse procedimento em campo é demorado e caro, e muitas vezes ineficiente, já em

um modelo numérico, quando comprovada sua habilidade de predição, o modelo pode ser

ajustado ao novo cenário, sem necessidade de um novo estudo. Estudos esses que mostram

desde a comparação de modelos bidimensionais e tridimensionais para modelagem de fluxo

de rios e canais, modelos bidimensionais de profundidade média, até a utilização de um

modelo matemático tridimensional para simular os fenômenos de transferência de momento e

massa em um canal curvo. Mas percebe-se na literatura que estudos que envolvem

modelagem matemática para dispersão de poluentes em rios são escassos, principalmente os

tridimensionais.

No caso de transporte de poluentes em cursos d'água, a equação de advecção-dispersão

é normalmente utilizada na sua forma unidimensional para prever a distribuição espacial e

temporal da substância dissolvida, quer o lançamento tenha ocorrido intencional ou acidental

(DEVENS et al, 2006).

Soares (2011), diz que mesmo quando o curso d'água for tranqüilo, os constituintes

continuam a se deslocar de áreas de maior concentração para áreas de menor concentração,

isso ocorre devido ao movimento aleatório das moléculas, esse movimento é a difusão

molecular.

26

Através da Lei de Fick a difusão molecular representa uma taxa de transferência de

massa de um constituinte, que se difunde através de uma seção unitária, que é proporcional ao

gradiente de sua concentração. A expressão matemática unidimensional que representa essa

transferência, dá-se conforme Equação 03:

(03)

Onde:

Jd= taxa de transporte difusivo [ML-2T-1];

c= concentração [ML-3];

Dm= coeficiente de difusão molecular [L²T-1];

x= direção que se desenvolve o processo [L]

O sinal negativo da Equação 3 indica que o transporte ocorre da área de maior

concentração para a área de menor concentração.

Considerando que o fluído apresenta uma velocidade ⱱ, com componente U na direção

longitudinal. Para Eiger (1991) o processo da advecção só é considerado quando o fluído é

transportado não só por difusão, mas também pelo próprio meio que o contém. Sendo assim,

presumisse que o constituinte transportado possui velocidade igual a do fluído. De acordo

com Vaz (2013) esse processo de advecção é o resultado de um movimento unidirecional do

fluído, não alterando suas características transportada. Assim o fluxo advectivo pode ser

representado conforme Equação 04:

(04)Sendo:

c= concentração no tempo e espaço;

Ja= Ja(x,t), o fluxo advectivo na direção x.

De acordo com Soares (2011) o período de Fischer se dá quando um constituinte é

lançado em um corpo d'água, ou seja, dá-se início a fase advectiva. Nesse momento, a nuvem

do constituinte aumenta de tal forma que a constante de tempo não é constante, por isso não

existe um coeficiente constante de dispersão e sim um coeficiente crescente ao longo do

tempo. Após um determinado tempo, o constituinte adquire concentrações quase que

uniformes, gerando assim um coeficiente de dispersão longitudinal, conhecido também como

período de Taylor, descrita pela Equação 05.

27

+ U = E ² ² (05)

Onde:

EL= coeficiente de dispersão longitudinal

C= valor médio da concentração localizado a distância x do ponto de lançamento

U= velocidade média do escoamento

t= tempo que o processo se desenvolve

De acordo com Devens et al (2010) o parâmetro coeficiente de dispersão EL, informa a

capacidade que o curso d'água tem para dispersar poluentes, ou seja, esse é um dos

parâmetros que tem um significado especial nas análises da qualidade da água. Conhecer a

capacidade do curso d'água em dispersar poluentes, é essencial para controlar a qualidade da

água. Ribeiro et al (2007) acrescenta dizendo que essa capacidade é importante no prévio

planejamento de medidas que irão minimizar o impacto causada pelos despejos, evitando

risco a saúde pública e atividades que dependem diretamente do uso da água.

Devens et al (2006) diz que para a obtenção do coeficiente de dispersão longitudinal

EL é necessário testes de campo para obtenção de curvas de concentração em função do

tempo, e que todas essas metodologias devem estar embasadas na teoria fickiana, que tem

como destaque o método dos momentos, métodos gráficos de Krenkel e Chatwim, o routing

procedure, e também mais dois procedimentos fundamentado na concentração de pico e

referência (crítica), ambos estimam o coeficiente comparando dados de campo com a primeira

lei de Fick.

Há também formas empíricas utilizadas na previsão do coeficiente de dispersão

longitudinal, essas equações co-relaciona o coeficiente com quantidades físicas, como:

largura, declividade, velocidade, vazão do escoamento. As formas empíricas são bem atrativas

devido ao custo e tempo gasto, porém a obtenção por métodos diretos trazem valores mais

confiáveis.

2.2.1 Fórmulas Empíricas

Na literatura encontram-se muitas formas empíricas utilizadas, a seguir serão

apresentadas algumas das fórmulas.

Elder (1959), visando a aplicação da análise de Taylor para o escoamento em condutos

livres,propôs um valor constante para o coeficiente de dispersão longitudinal E escrito

conforme Equação 06:

28

(06)Onde:

U*= velocidade de atrito

H= profundidade média do escoamento

De experimentos em calhas de laboratório Elder encontrou E = 5,93

Mcquivey&Keefer (1974) baseados em uma analogia entre as equações de fluxo linear

unidimensional e a equação linear unidimensional da dispersão, obtiveram (Equação 07):

, para F<0,5 (07)Sendo:

EL = coeficiente de dispersão longitudinal em m²/s

S= declividade da linha de energia em m/m

B= largura à superfície livre da água em m

Q= vazão em m³/s

F= número de Froude

Em testes realizados em campo, este modelo estimou um erro padrão médio de ~30%.

Seo e Cheong (1998) deduziram a partir de uma análise dimensional e regressão não

linear múltipla, uma equação de predição de EL, utilizando o "método de um passo Huber"

(Equação 08).

(08)

Deng et al (2001)apud Devens et al (2006) utilizou a mesma base de dados de Seo e

Cheong (1998) para a determinação do EL a partir da integral tripla de Fisher, obtendo

(Equação 09 e 10):

(09)

(10)

29

Sendo,

εt0= coeficiente de difusão transversal.

Fischer et al (1979)baseou-se em estimativas de EL com a fórmula prática de

McQuivey& Keffer (1974) com algumas considerações adicionais, apresentaram um fórmula

prática em unidades do S.I (Equação 11):

= 0,011 . (11)

Nikora&Sukhodolov (1993) entre os anos 1991 e 1992, experimentos de campo para

verificar a dispersão longitudinal em pequenos cursos d'água, com vazões entre 0,013m³/s e

4,7m³/s. O traçador utilizado neste teste foi o NaCl com concentração inicial de 200g/l. A

concentração máxima é inversamente relacionada com o tempo (Equação 12).

(12)

O valor de ns é de 1,1 na unidade S.I

Ribeiro et al (2010) apud Vaz (2013), a partir de análise dimensional e de regressão,

desenvolveram para rios de médio porte, com vazões entre 16,20 a 98 m³/s, com o traçador

fluorescente. Velocidade entre 0,50 e 0,92 m/s e a variação de profundidade entre 1,17 e

2,42m (Equação 13).

(13)

Liu (1977) notou erros nas fórmulas práticas de McQuivey&Keefer para a previsão do

EL, foi assim que Liu propôs um modelo simples, a partir de um modelo apresentado por

Fischer(Equação 14).

= ∗ (14)

βL= coeficiente adimensional.

Com base na literatura de 14 cursos d'água, Liu propôs(Equação 15):

= 0,18 ∗ ,(15)

30

Kashefipour e Falconer (2002) desenvolveram uma relação para o coeficiente

utilizando 81 dados a partir de 30 rios nos EUA, usando como base os rabalhos de Fisher,

McQuivey e Keefer e Seo e Cheong.

A variação da velocidade média de escoamentos dos dados obtidos por Kashefipour e

Falconer é entre 0,14 e 1,55 m/s e de profundidade entre 0,26 a 4,75m(Equação 16).

= 10,612. . . ∗ (16)

2.2.2 Métodos Diretos

Para Vaz (2013) os métodos diretos representam a forma mais confiável de obter o

coeficiente de dispersão longitudinal, pois esses métodos utilizam experimentos de estímulo-

resposta usando traçadores, assim o coeficiente de dispersão é obtido através de curvas de

concentração do traçador versustempo, com um ou mais ponto a jusante do ponto de injeção.

Os métodos diretos mais utilizados são: método dos momentos, método de propagação

(routing procedure) e o método de concentração de pico e concentração crítica.

De acordo com Devens et al (2006) no método dos momentos, EL é dado

como(Equação 17): = (17)

Porém, na prática, a equação 14 necessita das transformação da variância longitudinal

em variância temporal, sendo assim(Equação 18):

( ) = ² ( ) (18)Onde:σ2

t(x) = variância da distribuição das concentrações, em relação a t, numa posição x.

Assim, o método de momentos é representado pela Equação 19.= − (19)

Soares (2011) completa o raciocínio sobre os métodos do momentos dizendo que

devido a imposição "hipótese da nuvem congelada", algumas aproximações devem ser

introduzidas, desconsiderando a dispersão durante todo o intervalo de tempo necessário para

que a pluma passe pelo ponto de observação.

31

Eigler (1991) apud Soares (2011) diz que a maior deficiência desse método está que

em pequenos erros de concentrações nos extremos que afetam muito os valores da variância,

tendo efeito impreciso.

No método de propagação (routing procedure), em Barbosa et al (2005) apud Soares

(2013), é utilizado o perfil de concentração versus tempo de dois pontos de amostragem.

Devens et al (2006) completa dizendo que esse método considera a distribuição C

versus t experimental da seção montante como distribuição inicial do traçador, para então

gerar um valor do coeficiente de dispersão de jusante(Equação 20).

(20)

Onde representa a variável de integração.

t = tempos médios de passagem da nuvem do traçador pelas seções de montante (t1) e jusante

(t2)

O método da concentração de pico é baseado no conhecimento de concentração de

pico, Cp, e apoia-se no modelo fickiano. A equação 17, mostra que quando x=Ut ocorre uma

concentração de pico (Equação 21):

(21)Onde:

tn= tempo genérico;

xp= posição correspondente ao valor de pico

No método de concentração crítica, Devens et al (2006) afirma que é um modelo

também baseado no fickiano. Toma por base a expressão onde as concentrações excedem um

determinado valor crítico,Cc, no tempo genérico (fixo), tn. A Figura 04, mostra um perfil

longitudinal de concentração em um instante tn e trecho ∆xc de um canal em que as

concentrações excedem o valor crítico, Cc.

32

Figura 04 - Perfil Longitudinal de concentração.

Fonte: DEVENS, 2006.

Diferentes tipos de modelos numéricos tem sido utilizados como forma econômica de

sondagem e predição do comportamento dos contaminantes, entretanto, o processo de

dispersão em corpos naturais é bastante complexo e nem sempre pode ser explicado somente

por abordagem teórica, exigindo muitas vezes, intervenções de campo (OKUBO, 1968). Com

esta finalidade existem produtos (traçadores) e métodos capazes de permitir a simulação física

do fenômeno da dispersão, sem colocar em risco o ambiente. (FONTOURA&

NIENCHESKI,2003)

2.3 Traçadores

Traçadores são substâncias cuja presença no líquido pode ser detectada com precisão e

cujas características permanecem inalteradas na unidade de tratamento durante a realização

dos ensaios em que são utilizadas, como exemplo de traçador pode-se citar o NaCl – cloreto

de sódio.

Portanto o traçador é um conceito importante para avaliação do comportamento de um

fluído em uma estrutura. A utilização de um traçador corresponde à injeção de produtos no

fluxo para compreender seu comportamento e estes produtos devem se assemelhar, tanto

quanto possível ao fluído pelo aspecto hidrodinâmico (BEDMAR,1972).

Houve a expansão do escopo e da aplicabilidade de traçadores e o seu uso expandiu-se

em demasia, ocorrendo atualmente em quase todos os campos da ciência, tais como medicina,

biologia, fisiologia, nutrição, toxicologia, biotecnologia, química, agricultura, geociências e

engenharia, com maior interesse para o estudo de processos ambientais, industriais e

33

biológicos, cabendo destacar, no entanto, que a aplicação dos traçadores é muito mais comum

nos estudos de caracterização de reservatórios de petróleo (SILVAet al, 2009).

São duas as propriedades mais fundamentais que caracterizam uma substância como

traçador. A primeira diz respeito a que o comportamento do traçador deve ser idêntico ao do

meio estudado, desta forma, as características dinâmicas da massa serão reproduzidas

fielmente. A segunda refere-se a propriedade intrínseca do traçador utilizado que permite

detectá-lo no meio ao qual foi incorporado.

Pode-se então, definir traçador como uma espécie (química ou biológica) que serve

para “marcar” uma fase específica ou parte de um sistema. Mais especificamente, traçador é

qualquer substância, ou partícula/entidade que pode ser usada para seguir, quer pontualmente

ou de forma contínua, o comportamento de um determinado sistema ou de um componente,

tal como volume de água, quer um ambiente aberto (hidrologia de superfície) ou subterrâneo

(ambiente poroso ou fissurado).

Ou ainda, denomina-se traçadores qualquer substância ou produto que incorporado à

massa de outra substância permite estudar seu comportamento em relação a um determinado

processo físico ou químico (BEDMAR, 1972).

O conhecimento, mapeamento quantitativo e monitoramento das fontes de água doce

do nosso planeta são importantíssimos, pois a água é fundamental para a vida na Terra. O uso

de traçador surgiu em hidrologia em função da necessidade do monitoramento da água, visto

que essa técnica, de acordo com BEHRENS et al. (2001),permite obter informações sobre o

fluxo de água, bem como o transporte e os processos de mistura. Com estes agentes

incorporados aos fluxos aquáticos tem-se metodologias diretas, geralmente rápidas e

comumente únicas, das quais se pode obter a determinação de fontes originais de água, ou a

comprovação de novos afluentes aquáticos, delineamento de velocidades de fluxo de água e

até a identificação de fontes poluentes. Assim, diversos são os traçadores utilizados nos dias

de hoje e sua aplicabilidade é muito ampla, sendo utilizados em diferentes áreas científicas e

tecnológicas.

Os traçadores servem como instrumento para simular o aporte de poluentes de forma

acidental ou proposital, em águas superficiais ou subterrâneas (BENISCHKE, 1989). Nos

recursos hídricos são utilizados para a determinação de parâmetros de transporte e dispersão

para alimentar modelos matemáticos; medição de vazão; determinação do coeficiente de

dispersão em cursos de água, estudos sedimentológicos; planejamento prévio visando

minimizar problemas ocasionados por despejos acidentais de poluentes entre outros.

34

A escolha do traçador é muito importante para que represente reais condições de

escoamento em estudo, necessitando-se em alguns casos de um estudo prévio em laboratório

e/ou de campo para comprovar o comportamento do traçador em relação ao corpo hídrico de

interesse, as características do sistema tais como o ponto de injeção do traçador, a localização

dos pontos de medidas e a geometria de detecção devem ser bem definidas (RAMOS, 2006).

Os traçadores devem possuir as seguintes características: serem estáveis, estarem bem

aderidos à fase de estudo e apresentarem uma densidade próxima a do fluido em estudo. Além

disso, devem apresentar detecção inequívoca e quantificação em concentrações mínimas,

serem atóxicos, não devendo interagir com materiais do meio e nem deixar resíduos; a

injeção, a detecção e a análise devem ser realizadas sem introdução de perturbações ao

sistema em estudo.

Os traçadores fornecem os subsídios necessários para as avaliações dos tempos

característicos entendidos como: o tempo de início e fim da nuvem do poluente, ou seja,

através do traçador, é possível determinar visualmente o tamanho da pluma.

Sendo a escolha do traçador de crucial importância, é necessário o estudo detalhado

das características físico/químicas de cada traçador como também das propriedades do meio

em que o mesmo será injetado.

Os corantes são substâncias dotadas de cor própria e que uma vez dissolvidas

comunicam essa cor às estruturas com as quais são postas em contato, eles são artificiais ou

sintéticos. Como exemplo de corantes tem-se os corantes alimentícios e os bacteriológicos. Os

alimentícios servem para embelezar os alimentos e agradar as pessoas e dependendo do tipo,

pó ou líquido pode mudar a consistência do fluido. Os bacteriológicos são sais e podem ser

classificados em corantes ácidos e básicos, no caso do azul de metileno é um corante básico

epode ser usado como um corante bacteriológico e como indicador

Os corantes fluorescentes são compostos orgânicos ou inorgânicos que apresentam

fluorescência, tais como os corantes fluorescentes usuais: fluoresceína, isotiocianato de

fluoresceína, rodamina-B, rodamina-WT, eosina, Evans Blue e urânio. A rodamina-WT e

rodamina-B são muito utilizadas em hidrologia devido ao baixo custo, facilidade de detecção,

usualmente com o emprego da técnica de injeção constante no campo para aplicação,

assegurando a mistura por completo do traçador injetado, sendo injetados na parte de cima do

rio em estudo. Segundo Roldão e Goretkin (1984)apud Fontoura e Niencheski (2003) a

‘Rodamina-B’ é um traçador corante fluorescente estável, de fácil acesso comercial,

35

inofensivo à saúde e ao meio ambiente e com traços de fluorescência suficientes para o uso

em experimentos oceânicos.

Com a utilização destes traçadores fluorescentes, concentrações muito baixas podem

ser medidas em pontos distantes ao longo do rio. Os traçadores fluorescentes quando

utilizados em reservatórios apresentam uma desvantagem em relação aos outros tipos de

traçadores, pois muitas vezes sofrem processos de clivagem molecular, ou perdem suas

propriedades fluorescentes nas temperaturas geotérmicas dos reservatórios, ou ainda são

sensíveis a mudanças de pH e facilmente absorvidos pelas formações do reservatório.

Os traçadores fluorescentes simplificam, sobremaneira, os problemas logísticos,

reduzindo ainda os custos envolvidos. Ademais, evitam-se preocupações relacionadas a

segurança radiológica decorrente da utilização de radiotraçadores.

3. Procedimentos Metodológicos

A pesquisa experimental foi toda realizada no Laboratório de Hidráulica da Faculdade

de Tecnologia de Limeira-SP, Campus I da Unicamp.

3.1 Materiais

Todos os reagentes e equipamentos utilizado na pesquisa estão apresentados na Tabela01.

Tabela01: Reagentes e equipamentos utilizados na pesquisa.

Reagente e Equipamentos Marca

Cloreto de Sódio Lebre

Cloreto de Potássio Synth

Azul de Metileno Synth

Condutivímetro Marte MB-11

Fonte: ARQUIVO PESSOAL, 2015.

3.2 Descrição geral

A Figura05, mostra o mapa geral do laboratório, e nela pode-se observar, que o canal

(traço vermelho) circula todo o laboratório. Nota-se que o canal tem um tamanho bastante

significativo, mas para esse projeto optou-se por utilizar apenas um de seus lados, e a

Figura06, mostra o trecho escolhido em detalhes

36

Figura05 - Mapa geral do Laboratório.


37

Figura06 - Mapa do trecho estudado.


Na Figura 06, pode-se observar o trecho estudado, já com a instalação da calha, bombae tubulações. Também se consegue visualizar a forma de circulação da água e a marcação dotrecho estudado (trecho destacado em cinza).

3.3 Recuperação do Canal Retangular Hidráulico

O sistemaé composto por um canal que demarca todo o laboratório (Figura 07), pordois grandes reservatórios enterrados (Figuras 08 e 09), e possui toda a parte elétrica ehidráulica necessária, mas em péssimas condições. Nas Figuras 07, 08, 09 pode-se notar que o

Reservatório 1Reservatório 2

bomba

38

canal e os reservatórios estão totalmente danificados, e com máquinas consideradas obsoletas(Figura 10)

Figura 07 - Sistema de circulação de água do laboratório, o canal sem reforma.


Figura 08: Sistema de circulação de água do laboratório, o reservatório01 sem reforma.


39

Figura 09: Sistema de circulação de água do laboratório, o reservatório02 sem reforma.


Figura 10: Máquinas obsoletas do laboratório.


40

Para a recuperação do sistema foi necessário uma limpeza, reforma e

impermeabilização tanto do canal como dos reservatórios, para posteriormente revestir o

trecho a ser utilizado pela pesquisa com calha, para que as dimensões ficassem bem definidas

e o uso de traçadores não alterasse a cor das paredes.Foi feito também a instalação de uma

nova bomba, novas tubulações para a circulação da água, novas conexões e toda

redimensionada toda parte elétrica.

3.4 Escolha do Traçador

Para a escolha do traçador foram realizados estudos prévios em laboratório com o

intuito de verificar o seu comportamento no corpo hídrico, levando em consideração seu

custo/benefício. A escolha do traçador é importante para que as condições de escoamento

possam ser bem representadas. Portanto, definições de onde e de que forma serão realizados

os pontos de injeção do traçador, qual sua curva de calibração, qual a melhor localização dos

pontos de medição e como e quando será realizada a coleta, são tarefas paralelas a escolha do

traçador.

3.5 Definição da Metodologia

Tendo como um dos objetivos principais desse trabalho desenvolver uma metodologia,

foi necessário desenvolvê-la em um canal de acrílico didático, pois o mesmo trabalha com

uma quantidade menor de água, é fácil de controlá-lo e é possível trabalhar com diferentes

cenários, inclusive com a mesmas características encontradas no canal retangular

recuperado.O canal possui 290cm de comprimento, 10 cm de largura e 30cm de altura.A

Figura 11 e 12 mostram o canal didático onde a metodologia foi desenvolvida.

Figura11 - Modelo didático de canal


41

Figura 12 - Modelo didático de canal


No canal didático estudou-se qual a forma mais eficaz e econômica de:

armazenamento do traçador, despejo do traçador, forma de coleta das amostras, pontos de

coleta, alturas de coleta, tempo de coleta, tempo de ensaio e tempo de leitura das amostras.

Além do estudo do escoamento e caracterização completa do canal.

42

4.Resultados Parciais

4.1 Reforma do Canal Retangular Hidráulico

A reforma no sistema de canal retangular hidráulico do laboratório foi realizada.

Todas as paredes foram lixadas, as fissuras foram sanadase todo ele impermeabilizado (Figura

13). Novas máquinas foram instaladas para que o escoamento pudesse acontecer, assim como

toda a parte elétrica refeita (Figura 14). As característica da bomba instalada são vazão de 37

m³/h a 47 m³/h, pressão entre1,2 a2,0 Kgf/cm³, sendo a curva da bomba conforme a Figura 15.

O Canal foi revestido com uma calha para que as dimensões e inclinação possam ser

controladas, suas características são altura de 20 cm, largura de 20 cm e comprimento de 20

metros (Figura 16). O esquema de todo o sistema pode ser visualizado na Figura 17.

Figura 13 - Sistema todo impermeabilizado.


43

Figura 14: Máquina instalada.


Figura 15 - Curva da bomba instalada.

Fonte: DADOS DO FORNECEDOR BOMBAS LIMA, 2014.

Figura 16: Canal revestido com calha.


44

Figura 17: Esquema do sistema funcionando.


Após todo o sistema instalado, foram realizados testes para averiguar a instalação.

Detalhes de circulação e armazenamento do sistema foram definidos. Um registro foi

instalado entre os reservatórios para controle da água contaminada com o traçador (Figura

18). Com o sistema funcionando foram iniciados os testes com os traçadores.

Figura 18 - Registro entre os dois reservatórios.


45

4.2 Experimentos realizados com o traçador conservativo

4.2.1A escolha do traçador

A escolha do traçador foi embasada na literatura. Procurou-se em um traçador um bom

custo-benefício, facilidade de armazenamento, um corante (por uma melhor visualização da

nuvem), fácil acesso comercial, estável, e inofensivo a saúde.

O traçador mais utilizado na literatura é o Cloreto Sódio - NaCl. A sua escolha está

relacionado a condições de ordem prática e por apresentar as características esperadas de um

bom traçador, ele possui solubilidade em água, presença natural quase nula, não tóxica para

homens e animais, facilidade de armazenamento ou de quantificação e também um custo

baixo. Devido a isso NaCl foi um dos traçador escolhido.

Porém, Costa (2015) alerta para o uso do NaCl em testes de concentração e

condutividade, pois o mesmo traçador já é presente nas águas residuárias, interferindo na

condutividade do meio. Por esse motivo, optou-se também em usar o traçador cloreto de

potássio (KCl).

Para que fosse possível visualizar a nuvem da dispersão, optou-se por utilizar o

corante azul de metileno junto com os traçadores, pois é um corante estável, de fácil acesso

comercial, inofensivo a saúde e ao meio ambiente, e principalmente com baixo custo.

Mesmo sendo um corante inofensivo ao meio ambiente, optou-se por deixar pré-

determinado uma forma eficaz de tratamento visual do corante. A metodologia escolhida para

esse tratamento foi o Ozonizador (Figura 19).

Figura19 - Equipamento de Desinfecção - Ozonizador


46

Para obter as amostras para a realização dos testes de desinfecção foi necessário o

preparo de diversas concentrações para o corante: 0,107 mg/L, 10,7 mg/L, 100 mg/L. Essas

concentrações foram obtidas através da pesagem do corante em balança analítica juntamente

com a diluição delas em 1 litro de água destilada. Em seguida colocou-se as amostras dos

corantes em contato com o ozonizador.

A Figura 20, mostra o azul de metileno em seu primeiro contato com o ozônio.

Passado 10 minutos do início do teste, a amostra do azul de metileno já apresentava mudanças

significativas, como pode ser observado na Figura 21. Após 25 minutos em contato com

ozônio o corante azul de metileno quase já não era perceptível (Figura 22).

Figura 20 -Azul de metileno em contato com ozônio.


Figura21 -Azul de metileno com10 minutos de contato com ozônio.


Figura22 - Azul de metileno com 25 minutos de contato com ozônio.


47

4.2.2 Curvas de Calibração

Para a calibração dos traçadores foi utilizado o equipamento condutivímetro (Figura

23), assim como para todas as leituras de condutividade das amostras.

Para a determinação da curva dos traçadores, uma quantidade conhecida de solução de

NaCl e KCl foi utilizada; após cada leitura de condutividade, a solução conhecida recebe a

adição de uma certa quantidade em massa de água destilada, para que sua concentração seja

reduzida em um processo de diluição em série. A diluição em série é um procedimento de

diluições sucessivas, a partir de uma solução-mãe, até a obtenção de concentrações

suficientemente baixas e mensuráveis pelo condutivímetro. O método requer medidas precisas

das quantidades do traçador e água em cada um dos passos que constitui a série de diluições,

que produz o conjunto de padrões para a calibração. O gráfico de interesse bem como as

equações de ajuste relacionando a concentração C e a condutividade Cd são apresentados na

Figura24 para NaCl e na Figura 25 para KCl.

As leituras foram realizadas pelo condutivímetro MARTE MB-11, onde a água

destilada teve leitura em torno de 0,80 μS/cm.

Figura 23 - Condutivímetro


48

Figura24 - Curva de Calibração NaCl

Fonte: ARQUIVO PESSOAL, 2015

Figura 25 - Curva de Calibração KCl


4.3 Testes no Canal Didático

Com o canal retangular reformado e com os traçadores já escolhidos, iniciou-se os

testes no canal didático afim de determinar uma metodologia eficaz para realização da

pesquisa.

4.3.1 Características do canal didático

Como o intuito do desenvolvimento da metodologia ser realizado no canal didático,

foi necessário deixá-lo com características bem próximas do canal retangular, e essas

características foram: vazão, velocidade e altura da lâmina d'água.

y = 0,625x - 4,520R² = 0,999

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

1000,0

1200,0

0 500 1000 1500 2000

Con

cent

raçã

o (m

g/L

)

Condutividade (μS/cm)

Curva de Calibração NaCl

y = 0,684x - 6,842R² = 0,999

0,0200,0400,0600,0800,0

1000,01200,0

0 500 1000 1500 2000Con

cent

raçã

o (m

g/L

)

Condutividade (μS/cm)

Curva de Calibração KCl

49

4.3.2 Armazenamento do Traçador

A pretensão do trabalho era ter apenas uma forma de despejo, a contínua, para isso foi

necessário ter um armazenamento da solução traçador-água grande o suficiente para que os

testes fossem realizados por horas sem que a solução acabasse, por isso, optou-se por

armazenar o traçador em uma caixa de 48 litros, como mostra a Figura 26.

Figura 26 - Caixa de Armazenamento


4.3.3 Despejo do Traçador

Com o armazenamento do traçador definido, foi estudado a forma mais eficaz de

despejo. Para aproveitar a caixa de armazenamento, foi feito um suporte de ferro na mesma

caixa (Figura27), para que a mesma ficasse acima do canal.

Figura 27 - Caixa de Armazenamento com o suporte de ferro


50

Adaptações foram feitas na caixa, como instalações de: hidrômetro (Figura 28), para

verificação da vazão do despejo, 2 registros (Figura 29), um para controle geral, outro para

controle da vazão do despejo, mangueiras, para transporte da solução e também para controle

do nível do reservatório (Figura 30).

Figura 28 - Hidrômetro


Figura 29 - Registro para controle da vazão de despejo


Figura 30 - Registro Geral


51

Figura 31- Mangueira para controle do nível da solução do reservatório


Com o sistema de despejo funcionando, determinou-se a vazão com que a solução

traçador-água seria despejada: 8mL/s

4.3.4 Método de coleta das amostras

Antes de determinar o método de coleta, foi necessário ver qual a quantidade de

amostra mínima que o condutivímetro precisava para realizar as leituras. Desse modo,

percebeu-se que o equipamento precisava de no mínimo 30ml de amostra, foi assim que

optou-se por seringas de 60 ml para realizar as coletas.

Com o tamanho das seringas determinadas, fez-se adaptações nas mesmas com

mangueiras (Figura 32).

Figura32 - Seringa de 60 mL com adaptação de mangueira


52

Montou-se um sistema de coleta utilizando um suporte de madeira, nas dimensões do

canal, e mangueiras conectadas as seringas, Figura 33.

Figura 33 - Sistema Coletor


4.3.5 Determinação das alturas de coleta

Como observado na Figura 34, foi necessário definir as alturas com base na dispersão

de um poluente, para que ocorresse coleta tanto na zona de mistura quanto na zona de mistura

completa, ou seja, definiu-se 3 alturas diferentes para coleta.

Essa alturas, em relação a base do canal, são respectivamente:P0,80: 6 cm, P0,60: 13 cm

e P0,2: 19 cm.

Figura 34 - Alturas de coleta


53

4.3.6 Determinação dos pontos de coleta

De início os pontos de coletas foram determinados através do corante azul de

metileno. Após uma injeção do corante no canal, observou-se o comportamento do mesmo

para que os pontos fossem determinados, três testes foram realizados, em cada teste, os

coletores ficaram em posições diferentes, Figura35.

Figura35- Testes para determinação dos pontos de coleta


Ao observar a Figura 35, nota-se que os pontos de coletas são diferentes em cada teste,

apenas o primeiro ponto permaneceu o mesmo, devido que na zona de mistura é aonde

acontece a maior parte da dispersão, no final, na zona de mistura completa essa dispersão já

não é significativa.

Decidiu-se colocar coletas antes do despejo afim de controlar a concentração da

solução injetada.Com esses testes realizados, determinou-se os pontos e coleta, nomeados

como P1, P2 e P3, respectivamente em relação ao despejo.

4.3.7 Diferentes formas de despejo

No presente trabalho foram realizados testes de duas formas diferentes de despejo. Um

despejo central e um despejo lateral.Para o despejo central, houve duas formas diferentes de

coleta, e para o despejo lateral, apenas uma forma de coleta, como mostra a Figura 36.

54

Figura36 - Formas de Despejo e Coleta


4.3.8 Resultados obtidos

Na Figura 37, observa-se os resultados das coletas utilizando o NaCl, com o despejo

central, três pontos de coletas e coletas centrais. As concentrações são obtidas através da

curva de calibração do traçador trabalhado.

O P0 é sempre subtraído dos valores futuros, para ter o resultado de concentração

exato dos outros pontos.

Observa-se na Figura 37 o comportamento da dispersão do traçador, ou seja, no ponto

P1 nota-se um pico de concentração, isso é justificado pois esse ponto é o mais próximo do

despejo, então, consequentemente, os outros dois pontos P2 e P3 tiveram seu comportamento

com uma concentração menor, respectivamente.

A Figura 38, mostra a variação da concentração e condutividade em relação aos pontos

de coleta, e comprova-se essa variação de concentração de acordo com a localização da

coleta, ou seja, pontos mais perto do despejo tendem a ter concentrações maiores do que

aqueles mais distantes do despejo.

55

Figura 37 - Teste com despejo central e coletor central


Figura38 - Gráfico observativo da dispersão


Na Figura 39, os resultados são de um despejo central, dois pontos de coletas e três

coletores em cada ponto.

201

89,5 88

138,7111

89 89 87,3 87

0

50

100

150

200

250

131 54,7 53,7 88,4 69,4 54,4 54 52,9 52,7

Cond

utiv

idad

e (μ

S/cm

)

Concentração (mg/L)

Ld Centro Le

56

Figura 39 - Teste com despejo central e três coletores


Observa-se na Figura 39 a importância de trabalhar com três coletores no mesmo

ponto, pois assim é possível enxergar o pico de concentração do lado esquerdo (lado do

despejo) em relação ao lado direito (lado oposto do despejo). Com a Figura 40, consegue-se

observar que o despejo central não estava totalmente centralizado, pois as concentrações em

ambos os lados teriam que ser iguais, já que ambos os lados possuem a mesma caracterização.

Com isso, comprovou-se que o despejo deveria ser feito pela lateral, tendo como resultado a

Figura 41, que teve dois pontos de coletas com três coletores em cada ponto.



650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

Con

dutiv

idad

e (u

S/cm

)


P1

P2

57

Figura41 - Teste com despejo lateral e três coletores


Na Figura 41 é possível enxergar o aumento de concentração no ponto central e lado

esquerda, e a diminuição de concentração do lado direito, isso é justificado pois o traçador

despejado no lado direito prevalece do lado direito, mas atingi, gradualmente a parte central e

lado esquerdo do canal.

Na Figura 42, observa-se que a pluma vai se dispersando com a distância, ou seja, o

P1 cima do Ld (ponto mais perto do despejo) é muito mais concentrado do que o P1 cima do

Le (ponto mais longe do despejo).



0

100

200

300

400

500

600

700

Con

dutiv

idad

e (m

S/cm

)


P1

P2

58

4.3.9 Análises dos resultados

Com toda a caracterização levantada, coletas e leituras de condutividade realizadas, é

possível afirmar que a metodologia que foi proposta é eficiente, pois todos os testes realizados

foram replicados e houve concordância em todos os resultados.

Com esses resultados, pode-se analisar a dispersão do traçador utilizado (NaCl)

através da diminuição de sua concentração, ou seja, em pontos mais próximos do despejo, há

um concentração maior do que em pontos mais distantes do despejo. Pode-se analisar também

que as diferentes formas de despejo influencia na pluma do traçador, por isso foi de grande

importância os testes com diferentes formas de despejo.

Outra análise importante é a questão do tempo da coleta, pois comprovou-se que

coletas realizadas em tempos maiores (acima de 20 minutos) o canal já ficava saturado, então

não enxergava-se a dispersão natural, e também a sequência de coletas, pois as coletas dos

pontos realizadas no mesmo instante dava divergência no resultado, isso acontece porque a

pluma não atingiu seu tempo mínimo de dispersão, ou seja, teve que haver uma sequência de

coleta, e essa foi: P0, P2, P1.

Portanto, com a comprovação da metodologia e a eficiência dos resultados, foi

possível aplicá-la no canal retangular.

4.4Testes no canal retangular

De início, foi realizado o teste de caracterização do canal, mas notou-se que a altura

máxima da lâmina d'água era de 5 cm, e como já foi mostrado no presente trabalho, era

necessário uma altura de lâmina maior para a realização das coletas em três alturas diferentes.

Para isso, optou-se por usar um Ressalto de fundo (Figura 43), o mesmo possibilita uma

alteração na altura da lâmina d'água.

Figura43 - Ressalto de fundo


59

A Figura 44, demonstra a altura da lâmina com e sem o ressalto, respectivamente.

Com a adequação da altura da lâmina, iniciou-se os testes no canal retangular.

Figura 44 - Canal com e sem o ressalto


4.4.1 Determinação dos Pontos de Coleta

Ao observar a Figura 45, concluiu-se que os pontos de coleta estariam delimitados em

7 metros aproximadamente, entre 4,8m e 14m, tendo como referência o início do canal.A

partir disso, determinou os pontos de coleta, baseando-se nos testes realizados no canal

didático. A Tabela 02, mostra a localização dos pontos de coleta em relação ao despejo e as

alturas da lâmina d'água respectivamente, e a Figura 45, os coletores em relação ao despejo.Já

a Figura 46, mostra a localização dos pontos em relação ao canal inteiro.

Tabela02 - Localização e Altura da Lâmina D'água nos pontos de coleta

DadosPontos

Coleta P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10Localização

(m) 0 0,3 0,6 0,9 1,3 1,6 2,3 3,3 4,3 5,3 6,3Altura da

Lâmina (cm) 14,5 15,5 16 16,5 17 17,5 18,5 20 21,5 23 24,5


Figura45 - Vista superior dos coletores


60

Figura 46 - Coletores nos pontos de coleta


4.4.2Caracterização do Canal

Com os pontos de coleta determinados, fez-se a caracterização do canal em cada ponto

de coleta, como mostra a Tabela 03.

Tabela03 - Caracterização do Canal nos pontos de coleta

CaracterísticaPontos

P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10Altura da Lâmina

D'água (cm) 14,5 15,5 16 16,5 17 17,5 18,5 20 21,5 23 24,5Base da calha

(cm) 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20Altura da Calha

(cm) 24 24 24 24 24 24 24 24 26 27 28Área da Calha

(cm²) 480 480 480 480 480 480 480 480 520 540 560Área Molhada

(cm²) 290 310 320 330 340 350 370 400 430 460 490Perímetro

Molhado (cm) 49 51 52 53 54 55 57 60 63 66 69Raio Hidráulico

(cm) 5,92 6,08 6,15 6,23 6,30 6,36 6,49 6,67 6,83 6,97 7,10Fonte: ARQUIVO PESSOAL, 2015.

61

Para determinar as alturas usou-se uma trena, já para determinar área da calha, área

molhada, perímetro molhado e raio hidráulico, utilizou-se as seguintes equações,

respectivamente.

= .ℎ (22)= . (23)= + + (24)ℎ = (25)

Onde:

A: área (m)

B: base (m)

h: altura (m)

Am: área molhada (m)

H: altura de contato com o fluído (m)

P: perímetro molhado (m)

Rh: raio hidráulico

Obs.: Optou-se por trabalhar com unidades menores (cm) pois os dados são referentes

a números pequenos.

Para a determinação da vazão e a velocidade, foi necessário adaptar um tubo de pitot

para aplicação no canal, como mostra a Figura 47.Utilizando o tubo de pitot, determinou-se as

velocidades da superfície nos pontos de coleta e suas respectivas vazões, como mostra a

Tabela04.

Figura 47- Tubo de Pitot


62

Tabela 04 - Caracterização dos pontos de coleta.


4.4.3 Determinação das Alturas de Coleta

Ao determinar os pontos de coleta, foi necessário definir as alturas de coleta, e para

isso, realizou-se inúmeros teste com o tubo de pitot, para fim de velocidade, para garantir que

as alturas definidas estariam dentro de uma leitura confiável e exata, com isso, determinou-se

as alturas de coleta em cada ponto, porém as três alturas definidas tiveram um mesmo padrão

base, ou seja, em todos os pontos, as alturas foram de 10, 45 e 80 porcento da altura da

lâmina.

A Tabela 05, mostra as três alturas nos 10 pontos de coleta (em relação a base do

canal), o perfil de velocidade. Na Tabela06 pode ser verificado o cálculo do número de

Reynolds e Froude, caracterizando como regime turbulento e o escoamento subcrítico ou

tranquilo, já a Figura48mostra as curvas do perfil de velocidade.

Tabela05 - Alturas e velocidades dos pontos de coleta

PontosAltura da Lâmina

(cm)Alturas de Coleta (cm) Velocidade (m/s)

10% 45% 80% 10% 45% 80%P0 14,5 1,5 6,5 11,6 0,0050 0,0207 0,0075

P1 15,5 1,6 7,0 12,4 0,0047 0,0222 0,0081

P2 16,0 1,6 7,2 12,8 0,0045 0,0229 0,0083

P3 16,5 1,7 7,4 13,2 0,0044 0,0236 0,0086

P4 17,0 1,7 7,7 13,6 0,0042 0,0243 0,0088

P5 17,5 1,8 7,9 14,0 0,0041 0,0250 0,0091

P6 18,5 1,9 8,3 14,8 0,0039 0,0265 0,0096

P7 20,0 2,0 9,0 16,0 0,0036 0,0286 0,0104

P8 21,5 2,2 9,7 17,2 0,0034 0,0307 0,0112

P9 23,0 2,3 10,4 18,4 0,0031 0,0329 0,0120

P10 24,5 2,5 11,0 19,6 0,0029 0,0350 0,0127


CaracterísticaPontos

P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10Área Molhada (m²) 0,029 0,031 0,032 0,033 0,034 0,035 0,037 0,04 0,043 0,046 0,049Velocidade (m/s) 0,448 0,419 0,406 0,394 0,382 0,371 0,351 0,325 0,302 0,283 0,265

Vazão (m³/s) 0,013 0,013 0,013 0,013 0,013 0,013 0,013 0,013 0,013 0,013 0,013

63

Tabela 06 - Número de Reynolds e Número de Froude

*velocidade média:0,2m/s - profundidade média: 0,2045 m - gravidade: 9,81 m/s²


A Figura 48, mostra o perfil de velocidade de todos os pontos e confirma o tipo de

regime encontrado pela fórmula de Reynolds. Na Figura 49, sabendo que a vazão é constante,

comprova-se que a área a e velocidade são inversamente proporcionais.

Figura48- Perfil de Velocidade do Canal Retangular


Figura 49- Variação da Velocidade e da Variação da Área em Relação a Distância do Canal.


0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04

Altu

ras

de c

olet

a (%

)

Velocidade (m/s)

80

45

10

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 0,3 0,6 0,9 1,3 1,6 2,3 3,3 4,3 5,3 6,3 Varia

ção

ds V

eloc

idad

e (m

/s)

Varia

ção

da Á

rea

(m²)

Distância do canal (m)

Área

Velocidade

Caracterização*Reynolds 1407921Froude 0,1412

64

4.4.4 Estudo da Dispersão

Após a obtenção dos dados de caracterização do canal retangular didático e a

confirmação de que a metodologia proposta atingiu resultados confiáveis, aplicou-a a

metodologia no canal retangular a ser desenvolvida a pesquisa.Iniciou-se preparando a

solução que seria usada como traçador.Como no canal didático usou-se apenas o NaCl, no

canal retangular, optou-se por usar o NaCl e o KCl para verificação do comportamento de

cada um.

A preparação da solução ocorreu de forma simples, mediu-se 41 litros de água e

adicionou-se 800g da solução desejada. Essa concentração foi levantada através de testes de

condutividade, afim que não saturasse o canal.

Uma preocupação levantada durante os testes foi a velocidade que essa solução seria

lançada, pois ela não poderia interferir na dispersão natural. Para isso, foi realizado testes para

averiguar a melhor velocidade de despejo, e observou-se que essa deveria estar bem próxima

da velocidade do canal, sendo assim, a velocidade de despejo foi de 0,03m/s.

Com os sistemas de despejo, coleta e leitura montados, iniciou-se os testes. A Figura

50, mostra a localização do reservatório de despejo e os coletores.

Figura50- Reservatório de despejo e coletores


65

Após a coleta de todos os pontos, obteve-se os dados mostrado na Tabela 07 e na

Tabela 08. Os dados apresentam resultados em condutividade para cada ponto de coleta. Ao

analisar os pontos de coleta separadamente (direita, centro e esquerda) é possível notar que a

concentração do traçador do lado direito tende a diminuir, devido a dispersão que ocorre no

lado direito.

Tabela 07 - Resultados NaCl em μS/cm.

Ponto P0Média 167Ponto P1 P2 P3 P4 P5

DireitaCima 685 425 362 308 260Meio 190 192 224 211 223Baixo 184 173 178 183 194

CentroCima 169 147 180 191 185Meio 198 168 177 172 171Baixo 170 169 169 175 169

EsquerdaCima 198 169 174 170 172Meio 170 170 172 169 167Baixo 170 170 170 169 166

Ponto P6 P7 P8 P9 P10





Já na parte central, nota-se que há um crescimento de concentração até o P7, isso é

justificado pois o traçador atingi essa posição aos poucos, e nos pontos 8, 9 e 10, observa-se a

diminuição de concentração do traçador, pois a partir do ponto 7, quando ele já atingiu por

66

completo o centro, ele começa a dispersar, diferentemente do que ocorre do lado esquerdo,

onde sua concentração apenas aumenta, pois o traçador, a cada ponto, atingi mais o lado

esquerdo, mesmo sendo um aumento mínimo, é possível enxergar seu comportamento.

Tabela 08 - Resultados KCl em μS/cm.

Ponto P0Média 191Ponto P1 P2 P3 P4 P5




Ponto P6 P7 P8 P9 P10





Nas Figuras 51 e 52, observa-se a dispersão com os dois traçadores, em relação aos

dados das Tabelas 07 e 08 respectivamente. Nas Figuras 51 e 52, observa-se que os traçadores

tendem a ter o mesmo comportamento, isso pode ser justificado pois o teste foi realizado

usando baixas concentrações, e que ambos os traçadores possuem densidades parecidas, sendo

assim, a dispersão tanto do NaCl quanto a do KCl, para esses testes são equiparadas.

67

Figura51- Dispersão NaCl.


Figura52- Dispersão KCl.


68

Na Figura 53, é possível observar a dispersão do traçador NaCl na superfície do canal.

Nota-se um pico de concentração do lado direto, isso ocorre pois o despejo é feito através

deste. Essa concentração inicial vai se dispersando. Já no centro, o pico é gradual, mas

observa-se que o traçador demora por volta de 4 metros para se estabilizar. E no lado

esquerdo, o traçador mal chega, ele vai apenas se igualando com o passar da distância.

Figura53- Dispersão do NaCl na superfície do canal


Toda essa dispersão é vista na Figura 54, onde é possível observar a formação da

pluma do NaCl, e também, que nos metros finais, a pluma já alcançou quase toda a largura do

canal.

Como mostrado nas Figuras 51 e 52, o comportamento dos traçadores NaCl e KCl são

bem parecidos, adota-se a mesma dispersão e formação da pluma para o KCl. Acredita-se que

houve o mesmo comportamento por ter-se trabalhado com concentrações pequenas.

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6

Con

cent

raçã

o (m

g/L

)

Distância de coleta (m)

Direita

Centro

Esquerda

69

Figura54- Formação da Pluma com vista superior


4.4.5 Análise dos resultados do canal retangular

Com todos os dados levantados, desde a caracterização do canal até a formação da

pluma do traçador, observou-se que trata-se de um canal muito flexível, ou seja, nele pode-se

trabalhar alturas de lâminas diferentes, vazões diferentes, velocidades diferentes, e isso

influencia diretamente na forma que a dispersão irá ocorrer. Entretanto, o cenário que foi

escolhido já mostra como é o comportamento dos traçadores utilizados.

Analisou-se que a pluma aumenta conforme a concentração diminui, ou seja, a

dispersão acontece desde o despejo até o último ponto de coleta. Outro fator analisado foi a

diferença de concentração nas alturas de coleta, isso mostra o quão importante é realizar

alturas diferentes para cada ponto de coleta.

Observou-se também que os primeiros metros - aqueles perto do despejo - são os mais

propícios a variação de concentração, com isso, mais pontos de coleta perto do

despejo.Notou-se que os pontos mais distantes do despejo tendiam sempre a homogeneização

da concentração, ou seja, nesses pontos a pluma já estava formada.

Atentou-se também pelo tempo de cada teste, e conclui-se que o comportamento da

dispersão, levando em consideração o ponto de controle, era sempre o mesmo.

Diferentemente do tempo de coleta, esse precisou ser cronometrado, e não podia exceder de 2

minutos, pois se ultrapassasse esse tempo estipulado, já era perceptível o aumento nos

primeiro pontos de coleta. Por isso, as coletas aconteciam do ponto mais distante até o mais

próximo, mas, sempre iniciado pelo ponto de controle.

0

0,5

1

1,5

2

1 2 3 4 5 6 7

Lar

gura

do

Can

al (

dm)

Distância do Canal (m)

70

Acredita-se que foi utilizado a forma mais eficaz e econômica para despejo, coleta e

leitura das amostras, afim de garantir a veracidade de todos os testes.Com todas essa

informações e dados em mãos, foi possível obter o coeficiente de dispersão.

4.5Levantamento de dados para obtenção do coeficiente de dispersão

Existem diferentes fórmulas e métodos para realizar a determinação do coeficiente de

dispersão, para esse projeto foi escolhido o Método dos Momentos e as fórmulas de Elder,

McQuivey, Seo e Chong, Fisher, Nikora, Kashesfipour, conforme descritos no capítulo de

revisão bibliográfica.

Embasando-se também na literatura, encontrou-se mais três equações, sugeridas pelos

autores Devens, 2006, Devens, 2010 e Ribeiro et al, 2010, respectivamente Equação 26, 27 e

28: = 3,55. 10 . , . ,, . , (26)

= 0,729. ( ) , . , . , . , ( 27)

= 7,326. ( ∗) , . , . , . , (28)

Para essa determinação, foi necessário a obtenção de alguns dados, para isso, foram

utilizadas algumas equações, como mostra a Tabela 09. Para cada ponto, determinou-se os

dados da Tabela 09, para posteriormente levantar o coeficiente de dispersão.

Tabela 09 - Equações para obtenção de dados para a determinação do coeficiente de

dispersão.

Dados DeterminaçãoVelocidade Média (29) = ∑

Profundidade média da sessão (30) = ∑Velocidade de atrito¹ (31) ∗ = . .

Vazão (32) = .Largura da superfície -

¹: g: gravidade (9,81m/s)/ S: declividade (1,5%)


71

5. Resultados e Discussão

Como mencionado anteriormente, para o levantamento do coeficiente de dispersão, foi

necessário a obtenção de dados, como mostrado na Tabela 09. Sendo assim, e com os dados

obtidos, foi possível o levantamento dos coeficientes de dispersão pelo métodos e fórmulas

propostos.A Tabela 10, apresenta os coeficientes de dispersão em cada ponto de coleta para

cada método e fórmulas.

Tabela10: Coeficientes de dispersão em cada ponto de coleta

Determinação do coeficiente de dispersão para todos os pontosMétodos eFórmulas P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 Média

Momentos(Eq.17/18/19) 0,129 0,113 0,106 0,099 0,093 0,088 0,079 0,066 0,058 0,051 0,045

0,0846

Elder (Eq.6) 8,66 8,96 9,1 9,24 9,38 9,52 9,78 10,17 10,55 10,9 11,25 10,28McQuivey (Eq.7) 0,002513

Seo e Chong(Eq.8) 0,28 0,26 0,25 0,24 0,23 0,22 0,21 0,19 0,17 0,16 0,15 0,21

Fisher (Eq.11)0,000

420,000

330,000

300,000

270,000

240,000

220,000

180,000

130,000

110,000

080,0000

70,0002

1

Nikora (Eq.12)0,098

60,092

20,089

30,086

70,084

00,081

60,077

20,070

60,066

40,062

3 0,0583 0,0788Kashesfipour

(Eq16.) 0,211 0,191 0,182 0,174 0,166 0,159 0,147 0,127 0,116 0,106 0,096 0,152Devens(2006)

(Eq.26)0,004

50,004

20,004

10,004

00,003

90,003

80,003

70,003

50,003

40,003

1 0,0029 0,0037Devens(2010)

(Eq.27)0,014

70,014

70,014

80,014

80,014

80,014

90,014

90,014

90,014

80,015

2 0,0153 0,0149Ribeiro(2010)(Eq

.28)0,098

10,098

10,098

20,098

30,098

20,098

20,098

30,096

7 0,0950,098

8 0,0985 0,0979


A partir da observação dos coeficientes obtidos, com os apresentados na literatura, fica

nítido que os coeficientes do presente trabalho são bem menores, devido as características

hidráulicas e geométricas serem de menor escala, já que todas as fórmulas utilizadas

dependem exclusivamente de velocidade média, velocidade de atrito e largura da sessão.

Tendo como objetivo principal o levantamento do coeficiente de dispersão, sentiu-se a

necessidade de propor uma equação empírica, ou seja, uma equação baseada em confirmação

dos dados obtidos, independentemente da base teórica.

No cenário estudado, notou-se como alguns fatores interferem diretamente na

dispersão do traçador, ou seja, levar esses fatores em consideração para o levantamento do

coeficiente é de extrema importância, Tabela 11.

72

Tabela 11: Características importantes para levantamento do coeficiente proposto*

Raio Hidráulico 7,11

Declividade (%) 1,5


*valores médios em relação a todos os pontos

No intuito de propor um equação empírica, foi necessário analisar os dados da Tabela11, para a elaboração da equação, ou seja, através desses dados, foi realizado o levantamentodo coeficiente, como mostra a Equação 33.= ( ). (33)

Onde:

EL= Coeficiente de Dispersão

Rh: Raio Hidráulico

D: Distância entre o ponto de coleta e o despejo (m)

S: declividade do canal (%)

Essas relações estabelecidas na equação empírica são justificadas através da relação do

Rh com o número de Reynolds e a Vazão, pois é uma das relações mais conhecidas na

hidráulica. Já da relação entre D e S, é um pouco mais prática, pois, sabendo que a

declividade é constante, ao aumentar a distância, sabe-se que essa relação fornecerá um

produto maior, ou seja, aumentará, diretamente, o coeficiente de dispersão, pois quanto mais

longe, mais disperso é o comportamento do traçador.

Com a equação proposta, foi possível determinar o coeficiente para o canal estudado,

que foi de: EL=10,8546

73

6. Conclusões

Na busca por estudos para realizar gerenciamento dos recursos hídricos a presente

pesquisa pôde observar a importância de estudos experimentais em relação a capacidade de

um curso d’água para dispersar em maior ou menor quantidade de um poluente. Nesse

trabalho foi estudado um importante parâmetro físico de qualidade da água, o coeficiente de

dispersão longitudinal. Várias etapas foram realizadas até atingir esse objetivo, desde a

restauração de um canal, desenvolvimento de metodologia para realização das coletas, estudo

do traçador e por último o estudo do coeficiente de dispersão.

Foi realizado a restauração do canal retangular hidráulico do laboratório, onde vários

dispositivos foram trocados, assim como registro, tubulações, bomba, entre outros, com a

finalidade de deixar o canal em plenas condições de uso para realização da pesquisa.

Através de experimentação em módulo didático de canal foi possível verificar como

um canal se comportar, como as características geométricas e hidráulicas influenciam na

dispersão do poluente. As tentativas de despejo e coleta fizeram com que fosse possível

compreender a formação da pluma, o momento exato em que ela se torna estável e estabelecer

os melhores pontos de coleta. Assim, foram realizadas todas as etapas necessárias para o

desenvolvimento da metodologia para obter o coeficiente de dispersão longitudinal

característico. Foram realizados testes de coleta e de transporte com os traçados conservativos

e ambientalmente neutros, escolhidos pelo baixo custo de obtenção e pela facilidade de

medida da condutividade elétrica na água que é utilizada como indicador de concentração.

Foram levantadas suas respectivas curvas de calibração, assim como foram verificadas as

melhores concentrações a serem lançadas. Os traçadores utilizados (NaCl e KCl) nessa

pesquisa, são os mesmos citados por VAZ, 2013; RAMOS, 2006; SILVA et al, 2009, e se

mostraram eficazes para a finalidade de conhecer e determinar suas dispersões. A

metodologia desenvolvida foi aplicada no canal hidráulico do laboratório, canal de grandes

dimensões perto do canal didático, e todos os levantamentos para sua caracterização, perfil de

velocidade, vazão, escoamento, coletas, entre outros foram realizadas definitivamente nele.

Com a caracterização e coletas realizadas se iniciou a obtenção do coeficiente. Com

grande diversidade de métodos e fórmulas para o levantamento do coeficiente de dispersão,

notou-se que a sua padronização, ou seja, a obtenção de apenas um método para a

determinação do coeficiente para todos os tipos de cenário é um trabalho árduo a se

74

conseguir. Tudo isso, reflete a grande variação de características geométricas e hidráulicas

encontradas nos rios e em canais para estudo de caso.

Nesse trabalho, a determinação do coeficiente ficou por conta de equações encontradas

na literatura, porém, no decorrer dos testes, observou-se que seria extremamente útil a

elaboração de uma equação empírica para o canal estudado, para assim obter uma

determinação mais precisa do seu coeficiente. A equação foi montada e o coeficiente foi

identificado.

Essa pesquisa permitiu contribuir para critérios legais na busca por novas técnicas para

prever o impacto ambiental das emissões lançadas nos rios.

75

7. Referências

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