diagnóstico da qualidade da Água na bacia do alto iguaçu aguas... · a correlação linear...

Workshop sobre Monitoramento de Qualidade da Água em Bacias Urbanas

Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental

Universidade Federal do Paraná

Diagnóstico da Qualidade da Água na Bacia do Alto Iguaçu:

Monitoramento e Modelagem

Heloise Garcia Knapik

Cristovão Vicente Scapulatempo Fernandes (Orientador)

Júlio Cezar Rodrigues de Azevedo (Co-orientador)

Evidências de interesse

� Avançar no entendimento da dinâmica da poluição, focando não só nos parâmetros tradicionais;

� Avançar nas estratégias de implementação dos instrumentos de Gestão de Recursos Hídricos;

� Se vale a pena tornar o problema mais complexo;

� Entender quais as implicações que essa abordagem pode ter na Gestão dos Recursos Hídricos.

Atividades desenvolvidas

� Continuidade e complementação dos dados do monitoramento já consolidado em projetos anteriores, com ensaios de espectroscopia de fluorescência e de ultravioleta visível, ano de 2008;

� Determinado experimentalmente o coeficiente de desoxigenação carbonácea, K1, e analisado o coeficiente de reaeração K2 a partir de equações;

� Implementado e calibrado o modelo de qualidade de água QUAL2E para o oxigênio dissolvido, DBO, nitrogênio e fósforo;

� Simulado o modelo de qualidade de água com inclusão de cenários de despoluição hídrica no trecho do rio Iguaçu na região de Curitiba e Região Metropolitana, para analisar o impacto que as diferenças de simulação e calibração podem ter na questão de gestão de recursos hídricos, face às novas considerações da modelagem e a caracterização da matéria orgânica na bacia em estudo;

Abordagem metodológica

Proposta de Enquadramento


(6) Metas Progressivas

(2) Matriz de Fontes de Poluição

(5) Medidas de Despoluição Hídrica

(4) Modelo de Qualidade da Água

(1) Monitoramento:Qualidade x Quantidade

(3) Hidrologia

Bacia Hidrográfica Instrumentos de Gestão de Recursos Hídricos

Plano de Bacia








(3) Hidrologia


Plano de Bacia








(3) Hidrologia


Plano de Bacia

Monitoramento:Qualidade x Quantidade

A Bacia do Alto Iguaçu

P6

P5 P4 P3

P2

P1

P0

� Leste do Paraná;� Aprox. 3.000 km²;� 3 milhões de habitantes;� Média de 32 % de esgoto coletado e tratado.

Monitoramento da Qualidade da Água

� 20 campanhas realizadas entre 2005 e 2006 (Projeto Bacias Críticas);� 5 campanhas realizadas entre março e agosto de 2008;

Medições em campo

� OD

� Condutividade

� Temperatura

� pH

� Turbidez

� Profundidade Secchi

� Medição de nível

Medições em laboratório

� DBO, DQO, DOC

� Nitrito e Nitrato

� Nitrogênio Amoniacal e Orgânico

� Fósforo

� Sólidos dissolvidos, suspensos e sedimentáveis

� Clorofila-a

� Desoxigenação - K1

� Espectroscopia de Fluorescência e de

Absorvância

Monitoramento: Alguns resultados

� Perfis diferentes para a maioria dos parâmetros em relação aos pontos Olaria e P1 e

os demais pontos: influência da ocupação antrópica;

� A correlação linear simples entre as variáveis também indicou a influência de

esgotos do ambiente estudado (turbidez, profundidade secchi, vazão e sólidos);

� A forma amoniacal do nitrogênio foi predominante no trecho entre P2 e P6,

indicando a presença de efluentes (poluição recente);

� A correlação linear positiva entre N_NH3, N_Org, DBO e S298 também

evidenciam a presença de efluentes domésticos;

� Fósforo apresentou elevadas concentrações no trecho entre P2 e P6, acompanhados

de baixos valores de clorofila-a.

Determinação de K1

� Aplicação da metodologia de Winkler em ensaios consecutivos durante 5 dias (determinação do consumo de OD);

� Amostra nos pontos P2 e P5, coletas 23, 24 e 25;

� Cálculo pelos Métodos dos Mínimos Quadrados e Método de Fugimoto.

� Nas alíquotas com pouco volume de amostra pode ter ocorrido produtividade primária (grande oferta de nutrientes);

� As faixas de valores obtidas indicam que ainda é preciso avançar na sua determinação;

Determinação de K2

� Teste das equações de Churchill et al. (1962), O’Connor e Dobbins (1958), Owens et

al. (1964), Langbien e Durum (1964), Thackston e Krenkel (1966), e Tsivoglou e Wallace (1972);

� Análise das seções transversais (profundidade do canal e velocidade do escoamento) dos pontos de monitoramento e dos perfis de vazão nas campanhas de campo;

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

105

110

Distância Nascente Foz (km)*

Coeficie

nte

de R

eaera

ção (d

-1)

95%

5%

Mediana

Out max

Out min

Ponto P3

Ponto P6

Ponto P2

Ponto P4 Ponto P5

A

B

CD

EA B C D EA B C D E A B C D E

A B C D E

A: OwensB: ChurchillC: DurumD: O'ConnorE: Tchakston

Ponto P0

A B C D E

Monitoramento: Novas técnicas

Análises espectroscópicas

X

Origem da poluição

Espectroscopia de Ultravioleta visível

� Caracterização da matéria orgânica;

� Identificar possíveis fontes no ecossistema aquático:

- Absortividade SUVA254

(Westerhoft e Anning, 2000)

≈ 1,2 L/mg.m indicam presença de esgotos (atividade biológica);

≈ 4,4 L/mg.m indicam fonte alóctone pedogênico (ácidos fúlvicos).

- Razão A285/COD

(Rostan e Cellot, 1995)

< 10 L/g indicam presença de matéria orgânica lábil

≈ 20 L/g indicam fonte alóctone pedogênico (ácidos fúlvicos).

- Razão entre

comprimentos de onda

E2/E3 – 250/ 365 nm (Peuravuori e Pihlaja, 1997)

E3/E4 – 300/ 400 nm (Artirger et al., 2000)

E4/E6 – 465/ 665 nm (Senesi, 1989; Chen et al., 2002)

Espectroscopia de Ultravioleta visível

Ponto COD SUVA254 A285/COD

Olaria 6,87 2,01 13,94± 1,85 ± 0,76 ± 5,26

P1 8,47 1,82 12,74± 3,95 ± 1,06 ± 7,52

P2 8,68 1,36 9,26± 2,61 ± 0,55 ± 3,81

P3 8,27 1,81 12,66± 3,70 ± 1,56 ± 10,87

P4 8,42 1,91 13,31± 6,27 ± 1,74 ± 12,24

P5 9,31 1,33 9,28± 5,76 ± 1,07 ± 7,50

P6 8,01 1,13 7,79± 3,10 ± 0,20 ± 1,33

autóctone/ alóctone antrópico

Fonte provável







Espectroscopia de Fluorescência

� Análise para excitação em 314 e 370 nm:

- Pico do espectro (PW)


< 450 nm: carbono orgânico autóctone;

> 450 nm: carbono orgânico alóctone pedogênico;

- Razão FR 450/500 nm


< 1,5: fonte alóctone;

> 1,8: fonte autóctone;

� Análise para excitação em 370 nm:

- Região 280- 298 nm

(Peuravuori et al., 2002)

Característico de esgoto doméstico

� Análise para espectro sincronizado:


Alóctone pedogênicoAutóctone

350 400 450 500 550 6000

50

100

150

200

250

300

F/C

OD

(E

xc 3

14)

Comprimento de onda de emissão (nm)

Ponto P5 - Guajuvira Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)

350 400 450 500 550 6000

50

100

150

200

250

300

F/C

OD

(E

xc 3

14)


Ponto P6 - Balsa Nova Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)

350 400 450 500 550 6000

50

100

150

200

250

300

F/C

OD

(E

xc 3

14)


Ponto P1 - Canal de Água Limpa Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)

350 400 450 500 550 6000

50

100

150

200

250

300

F/C

OD

(E

xc 3

14)


Ponto P0 - Estação Olaria Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)


Ponto COD FR IF370 S298 S480 Fonte provável

Olaria 6,87 1,56 62,19 7,41 5,31

± 1,85 ± 0,09 ± 13,85 ± 2,24 ± 1,11

P1 8,47 1,67 57,42 12,06 4,24

± 3,95 ± 0,23 ± 22,05 ± 18,51 ± 2,40

P2 8,68 1,80 68,08 9,67 3,96 autóctone

± 2,61 ± 0,09 ± 16,90 ± 8,48 ± 0,94

P3 8,27 1,80 64,78 11,23 5,54 autóctone

± 3,70 ± 0,08 ± 49,07 ± 6,98 ± 2,94

P4 8,42 1,83 91,84 14,88 6,00 autóctone

± 6,27 ± 0,09 ± 48,89 ± 6,25 ± 3,09

P5 9,31 1,79 81,84 11,73 4,81 autóctone

± 5,76 ± 0,10 ± 53,45 ± 5,06 ± 3,04

P6 8,01 1,70 76,55 8,74 4,22

± 3,10 ± 0,05 ± 45,38 ± 2,23 ± 1,90

autóctone/ alóctone antrópico e pedogênico




300 350 400 450 500 550 6000

5

10

15

20

25

30

35

40

F/C

OD

(E

xc_s

inc)

Comprimento de onda (nm)

Ponto Po - Estação Olaria Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)

300 350 400 450 500 550 6000

10

20

30

40

50

60

F/C

OD

(E

xc_s

inc)


Ponto P3 - Umbarazinho Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)

300 350 400 450 500 550 6000

10

20

30

40

50

F/C

OD

(E

xc_s

inc)


Ponto P6 - Balsa Nova Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)

300 350 400 450 500 550 6000

20

40

60

80

100

120

140

160

F/C

OD

(E

xc_s

inc)


Ponto P1 - Canal de Água Limpa Coleta 21 (mar/08) Coleta 22 (abr/08) Coleta 23 (mai/08) Coleta 24 (jun/08) Coleta 25 (ago/08)

Espectroscopia de UV-vis e de Fluorescência

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

COD (mg/L)

Ab

so

rvân

cia

254 n

m

Coleta 21

Coleta 22

Coleta 23

Coleta 24

Coleta 25

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

COD (mg/L)

Inte

ns

ida

de

de

Flu

ore

sc

ên

cia

(u

. a

.)

Coleta 21

Coleta 22

Coleta 23

Coleta 24

Coleta 25

COD x Absorvância254 (r = 0,0187):

COD não é proveniente de fonte alóctone pedogênica

Hipótese: esgoto (alóctone antrópico) ou produtividade primária (autóctone)

COD x IF370/450 (r = -0,7293):

Correlação (+) indicaria substâncias húmicas;

Hipótese: esgoto (alóctone antrópico) ou produtividade primária (autóctone)

Clorofila-aProdutividade primária X

Fonte autóctone

Esgoto X N_NH3 e Fósforo

Fonte alóctone antrópica

Modelagem, Análise de Sensibilidade e Calibração do Modelo QUAL2E

Dados de Monitoramento

Implementa o modelo

SimulaAnálise estatística

Compara Vazão

Coeficientes K1 e K3Compara curva

de DBO

Compara curva de OD

Coeficientes K2 e K4

Verifica (campanhas)

Simulação para diferentes cenários de vazão

Ajusta para a vazão observada

Cenário de Referência

Banco de Dados

Matriz Fonte Poluição Análise de Sensibilidade

Cenário de crescimento industrial / populacional

Cenário de medidas de despoluição

Compara curvas da série de N

Coeficientes β1, β2, β3, αααα1, αααα5, αααα6, σσσσ1,

σσσσ3, σσσσ4, σσσσ6

Compara curva de Fósforo

Coeficientes β4, αααα2, αααα3, αααα4, σσσσ2, σσσσ5

Oxigênio Dissolvido

Respiração algal

DenitrificaçãoNitrificação

Decomposição da MO

ReaeraçãoFotossíntese

Redução de sulfato

Demanda pelo sedimento

� Utilização da formulação matemática proposta por Streeter – Phelps(1925), Brown e Barnwell (1985) e Chapra (1997);

O modelo QUAL2E

SOD

(sedimento)

DBO

carbonácea

DBO

carbonácea

P - orgP - org

P - dissP - diss

NO3

NO3

NO2

NO2

NH3

NH3

N - orgN - org

K2

K4

K3

K1

β4

σ5

α1ρ

Clorofila AClorofila A

σ2

β2

β3

β1

σ1

α1µ

α2µ

α2ρ

α4ρα

3µ

α6β2

α5β1

σ3

σ4

α1µ (F)

α1µ (1 - F)

O

x

i

g

ê

n

i

o

D

i

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s

o

l

v

i

d

o

O

x

i

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n

i

o

D

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o

l

v

i

d

o

Reaeração

atmosférica

Reaeração

atmosférica

SOD

(sedimento)

DBO

carbonácea

DBO

carbonácea

P - orgP - org

P - dissP - diss

NO3

NO3

NO2

NO2

NH3

NH3

N - orgN - org

K2

K4

K3

K1

β4

σ5

σ2

β2

β3

β1

α6β2

α5β1

σ3

σ4

O

x

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g

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D

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i

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x

i

g

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o

D

i

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o

l

v

i

d

o

Reaeração

atmosférica

Reaeração

atmosférica

Balanço de massa

[ ] [ ] [ ]RRR DBOKDBOK

dt

DBOd31 −−=

( ) [ ] ( )ANNH

KDBOKOOK

dt

dORs ραµαβαβα 43226115

412 −+−−−−−=

444314 NNA

dt

dNσβρα −−=

AFd

NNdt

dNµα

σββ 11

31143

1 −+−=

22112 NN

dt

dNββ −=

( ) AFNdt

dNµαβ 122

3 1−−=

12 4 1 5 1

dPA P P

dtα ρ β σ= − −

2 24 1 2

dPP A

dt d

σβ α µ= + −

1dAA A A

dt H

σµ ρ= − −

Modelagem do Nitrogênio

Modelagem do Fósforo

Modelagem da DBO

Modelagem de AlgasModelagem do Oxigênio

Dissolvido

K1

K2

K3

K4

β1

β2

β3

β4

σ2

σ3

σ4

σ5

α5

α6

Desoxigenação carbonácea (d-1)

Reaeração atmosférica (d-1)

Sedimentação DBO (d-1)

Demanda de oxigênio pelo sedimento (g/m²d)

Oxidação amônia (d-1)

Oxidação nitrito (d-1)

Decaimento N_Org para N_NH3 (d-1)

Decaimento P_Org para P_Diss (d-1)

Taxa de aporte de P_Diss por fauna bentônica (g/m²d)

Taxa de aporte de N_NH3 por fauna bentônica (g/m²d)

Sedimentação de N_Org (d-1)

Sedimentação de P_Org (d-1)

Taxa de consumo de oxigênio por unidade de N_NH3 oxidado (mg_O/mg_N)

Taxa de consumo de oxigênio por unidade de nitrito oxidado (mg_O/mg_N)

Análise de Sensibilidade

Calibração Nitrogênio Total

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106

Distância Nascente - Foz (km)

Co

nc

en

traç

ão

N_T

ota

l (m

g/L

)

95%

5%

MEDIANA

Máximo

Mínimo

N_total (mg/L)

Rio Iraí Rio Iguaçu

P2 P3 P4

P5

P6

P1 P1

Calibração Fósforo

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106


Co

nc

en

tra

çã

o P

_T

ota

l (m

g/L

)

95%

5%

MEDIANA

Máximo

Mínimo

P_Total (mg/L)


P2 P3

P4

P5

P6

P1 P1

P0

Comparação – Calibração DBO

Curvas 1 e 3 – Variação dos coeficientes por tentativa e erro;

Curva 2 – Calibração através de algoritmo genético: Kondageski (2008);

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106


Co

nc

en

tra

çã

o D

BO

(m

g/L

)

95%5%MEDIANAMáximoMínimoCurva 1Curva 2Curva 3


P2

P3

P4

P5

P6

P1 P1

P0

Comparação – Calibração OD

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106


Co

ncen

tra

ção

OD

(m

g/L

)

95%5%MEDIANAMáximoMínimoCurva 1Curva 2Curva 3Curva 4


P2

P3

P4 P5 P6

P1P0

Curva 1 – Inclusão da modelagem de nitrogênio e fósforo;

Curva 2 - Calibração através de algoritmo genético: Kondageski (2008);

Curva 3 e 4 - Calibração através de tentativa e erro para simulação de OD e DBO: Porto et al. (2007)

Considerações Finais

Conclusões

� O monitoramento de campo se mostrou importante e fundamental para o processo de calibração, visto a necessidade de se ter dados conjuntos de QUANTIDADE e QUALIDADE;

Monitoramento de Campo

� A condição de pouca vazão + muita gente contribui para a baixa diluição dos poluentes, com melhora progressiva nos pontos P5 (Guajuvira) e P6 (Balsa Nova);

� Origem alóctone antrópica do carbono orgânico dissolvido (efluentes) = análise conjunta de parâmetros tradicionais de qualidade de água + espectroscopia.

� O rio Iguaçu, para a maior parte do trecho em estudo, encontra-se com padrões de qualidade fora de Classe 2 da Resolução CONAMA 357/05, no entanto, em condições ainda possíveis de recuperação;

Conclusões

Calibração e Simulação do Modelo

� A combinação dos coeficientes utilizados na calibração do modelo não éúnica, indicando que é necessário avançar na sua determinação em campo;

� Modelagem implica calibração = dados!!!

� A simulação para DBO, nitrogênio e fósforo confirmam o estado de degradação da qualidade da água, reflexo também da qualidade da água nos afluentes Palmital, Atuba, Belém, Padilha e Barigüi.

� Monitoramento + Modelagem = ferramentas conjuntas para a gestão de recursos hídricos.

� Avançar na otimização da matriz de fontes de poluição: atualização do cadastro de usuários, áreas de uso e ocupação do solo;

� Avançar no monitoramento, com a inclusão de novos parâmetros, nos procedimentos de coleta e determinação em laboratório, com a diminuição de incertezas e padronização dos métodos;

� Investigar a atividade biológica e o processo de reaeração, através da determinação dos coeficientes K1 e K2;

� Avançar nos procedimentos de calibração através de rotinas computacionais, com base em técnicas de otimização e inteligência artificial;

� Desenvolver um modelo de qualidade de água mais flexível.

Estudos futuros...

Muito Obrigada!!!

Heloise G. Knapik

[email protected]

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