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21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

ABES – Trabalhos Técnicos 1

IV-037 – AVALIAÇÃO DA CONTRIBUIÇÃO DE ESGOTO DOMÉSTICO PARAA QUALIDADE DA ÁGUA DA BAÍA DO ESPÍRITO SANTO UTILIZANDO

MONITORAMENTO E MODELAGEM DE COLIFORMES FECAIS

Mônica de Souza Mendes Castro (*)

Engenheira Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Mestranda emEngenharia Ambiental (UFES). Professora do Departamento de Hidráulica eSaneamento (UFES).Julio Tomás Aquije ChacaltanaBacharel em Engenharia Mecânica dos Fluidos pela Universidade Nacional Maior deSão Marcos (Lima-Peru). Mestre e Doutor em Mecânica dos Fluidos (COPPE/UFRJ).Professor Adjunto do Departamento de Hidráulica e Saneamento e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental (UFES).Edmilson Costa TeixeiraEngenheiro Civil (UFBA). Mestre em Hidráulica e Saneamento (EESC-USP). Doutor em Engenharia deRecursos Hídricos (Universidade de Bradford-Inglaterra). Professor Adjunto do Departamento de Hidráulicae Saneamento e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental (UFES).Daniel RigoEngenheiro Civil (UFES). Mestre em Recursos Hídricos (COPPE/UFRJ). Doutorando em EngenhariaOceânica (COPPE/UFRJ). Professor Assistente do Departamento de Hidráulica e Saneamento (UFES).

Endereço(*): DHS-CT/UFES Caixa Postal 01-9011 CEP: 29060-970 Vitória ES - Brasil - Tel: (27) 335-2159 - e-mail: [email protected].

RESUMO

Este trabalho apresenta resultados de um estudo, em desenvolvimento, que visa a avaliação da contribuiçãode esgotos domésticos na qualidade da água da Baía do Espírito Santo, fazendo-se uso de modelagemcomputacional e de monitoramento de campo de parâmetros hidrodinâmicos e de qualidade de água. Omodelo computacional usado para avaliar o espalhamento da pluma de esgoto na região de estudo é do tipo2DH, e utilizou-se as bactérias do grupo Coliforme fecal como parâmetro de qualidade de água. O principalcontribuinte de esgotos domésticos para a Baía é o Canal da Passagem, e este trabalho foi direcionado parasua desembocadura na Baía e vizinhanças. Para avaliar a resposta do modelo computacional foi feita umacampanha de monitoramento de Coliformes fecais, maré e corrente. Os resultados experimentais mostraramo deslocamento da pluma em direção à praia de Camburi. Para reproduzir a pluma de esgotos oriunda doCanal foram feitos vários testes de simulações e testadas diversas condições de contorno.

PALAVRAS-CHAVE: Modelagem computacional, Coliformes fecais, dispersão, águas costeiras, qualidaded’água.

INTRODUÇÃO

Ao longo da costa brasileira estão localizados grandes centros urbanos que, freqüentemente, não possuemuma destinação adequada para os esgotos domésticos, industriais e resíduos sólidos. Desta forma, baías eestuários recebem dejetos com pouco ou, como na maioria dos casos, nenhum tipo de tratamento,prejudicando o uso destas áreas para balneabilidade, turismo e outros usos possíveis.

Pessoas que tenham contato com águas contaminadas com esgotos domésticos ficam submetidas a contraíremdoenças devido à presença de enterobactérias nestes dejetos, um exemplo comum são as infecções de olhos,ouvidos e garganta. Tais bactérias são de difícil detecção, por isso comumente adota-se um indicador decontaminação fecal, como as bactérias do grupo Coliformes fecais.


ABES – Trabalhos Técnicos2

Quando em contato com o meio ambiente estas bactérias ficam submetidas a condições adversas à suasobrevivência. Os fatores que contribuem para tal estão relacionados com o ambiente onde é feito olançamento dos esgotos.Para auxiliar na avaliação do impacto de lançamentos de esgotos domésticos em corpos d’água, utilizam-semodelos numéricos. Estes, aliados ao monitoramento de campo, apresentam-se como uma ferramenta útilpara simular os eventos que ocorrem no ambiente, além de permitir um aumento do conhecimento sobre osprocessos que interferem na qualidade da água, bem como simular cenários futuros.

O monitoramento de campo é uma etapa importante, pois através da obtenção de dados de batimetria,intensidade e direção de velocidade de ventos e correntes, além dos parâmetros de qualidade de água, pode-sedeterminar quais as melhores condições de contorno e iniciais a serem adotadas. Estes dados demonitoramentos são indispensáveis na calibração e validação dos modelos computacionais.

Os modelos de qualidade de água, que relacionam os processos ambientais locais e sua relação com adispersão dos microorganismos, enfrentam um problema para a computação dos termos relacionados àconcentração (densidade) de bactérias devido às incertezas ligadas à taxa de decaimento destas, além daespecificidade do processo dispersivo para cada região. A contribuição da dispersão e da taxa de decaimentobacteriano tem sido objeto de diversos estudos, como Bowie et. al. (1983), Monteiro et. al. (1992), Roberts &Williams (1992), Canale et. al. (1993).

O objetivo principal deste trabalho é apresentar resultados de um estudo, em desenvolvimento, que visa aavaliação da contribuição de esgotos domésticos oriundos do Canal da Passagem na qualidade da água daBaía do Espírito. São confrontando dados experimentais com numéricos obtidos nessa fase do estudo, alémde apresentar o processo utilizado na implementação do modelo numérico.

MATERIAIS E MÉTODOS

DESCRIÇÃO DA ÁREA MODELADA

A Baía do Espírito Santo está localizada na Região da Grande Vitória, no Estado do Espírito Santo, entre ascoordenadas 40°14’ e 40°18’ Oeste e 20°16’ e 20°19’ Sul. A área de estudo, mostrada na figura 1, écomposta por uma porção de mar aberto, com profundidades de até 28 m; pelos canais de acesso aos portosde Vitória e de Tubarão, com profundidades em torno de 12 e 25 m, respectivamente; pela parte interna àbaía com profundidade média próxima de 6 m e pelo Canal da Passagem que apresenta profundidademáxima aproximada de 9 m em sua saída.

A Baía do Espírito Santo é de grande importância econômica para região, pois além de comportar indústriasde grande porte como CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão) e CVRD (Companhia Vale do Rio Doce),tem suas águas requeridas para diversos usos. Dentre estes usos podemos destacar navegação comercial erecreativa, diluição de despejos domésticos e industriais, pesca de subsistência e lazer, prática de esportesnáuticos, natação e paisagismo, a maior parte interferindo de alguma forma na qualidade da água.

A praia de Camburi, com uma extensão aproximada de 5 km, é a principal praia do município de Vitória, erecebe contribuição de esgotos principalmente do Canal da Passagem. Este é uma ligação entre a Baía doEspírito Santo e a Baía de Vitória. Ao longo de sua extensão ocorre o lançamento de esgotos in natura oucom tratamento insuficiente, que no período da maré vazante alcança a Baía do Espírito Santo formando umapluma de esgoto conforme pode ser visto na fotografia mostrada na figura 2.

Esta fotografia foi tirada numa maré de quadratura após 4 horas do início da vazante, e é mostrada paracaracterizar a região imediatamente impactada pelas águas provenientes do Canal da Passagem. A coloraçãoda pluma na fotografia é bastante influenciada pela presença de matéria orgânica dissolvida proveniente dosmanguezais na Baía de Vitória. Normalmente não se observa a intensidade da cor da pluma vista nafotografia, que foi feita em 01/02/2001.

Na figura 2 podem ser vistos o pier que compõe a parte final do Canal da Passagem, ao fundo a Praia deCamburi e um dos pontos (P2) onde foi feita coleta de amostras de água.



Figura 1: Área modelada e configuração do fundo da Baía do Espírito Santo.

Figura 2: Visualização da pluma gerada pelas águas do Canal da Passagem ao atingir a Baíado Espírito Santo



O padrão de escoamento é regido por marés semidiurnas com alturas máximas de 1,7 m na sizígia e 0,9 m namaré de quadratura.

Para conhecer o comportamento hidrodinâmico da região próxima à saída do Canal da Passagem, bem comoa qualidade da água, foi realizada uma campanha de monitoramento no dia 27/09/2000 para uma maré desizígia com altura de 1,3 m. O período de monitoramento teve duração de 4 horas e 15 min e correspondeu àmaré vazante, que iniciou às 15:45 h.

Os dados de maré e corrente foram coletados através de um marégrafo e um correntógrafo instalados nospontos mostrados na figura 3, durante o período da campanha. Também foram obtidos dados de maré daTábua de Maré do Porto de Tubarão, ano 2000.

Figura 3: Pontos de instalação do marégrafo (M) e do correntógrafo (C)

Para a análise da qualidade da água foram amostrados os seguintes parâmetros: salinidade, temperatura e ODmedidos em campo, e Coliformes fecais analisados em laboratório pela Técnica de Tubos Múltiplos conformeo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 1995). Os pontos de coleta(figura 4) foram escolhidos a partir de campanhas prévias com uso de derivadores, sendo as amostragensrealizadas superficialmente.



Figura 4: Pontos de coleta

MODELAGEM NUMÉRICA

O modelo computacional utilizado foi o DIVAST (Depth Integrated Velocities And Solute Transportation),que é um modelo bidimensional horizontal (2DH). Este modelo já foi utilizado em diversos países,apresentando bons resultados (Falconer, 1997). O DIVAST também foi empregado na Baía do EspíritoSanto, para modelagem dos padrões de escoamento de toda a Baía (Rocha, 2000). As equações deconservação empregadas são descritas a partir do sistema de referência de Euler, e discretizadas pelo métodode diferenças finitas (Falconer, 1976).

A malha computacional utilizada é retangular, composta de 112.320 células quadradas com 20 m de lado eorientação de 148° em relação ao Norte, estando aproximadamente alinhada à entrada da onda de maré naBaía do Espírito Santo. Os dados batimétricos da região interna à Baía foram obtidos através da digitalizaçãoda carta náutica n° 1401 produzida pela Marinha do Brasil. A configuração do fundo do Canal da Passagemfoi obtida de um levantamento realizado por equipe do GEARH (Grupo de Estudos e Ações em RecursosHídricos – UFES).

As condições de contorno adotadas foram: I1, J1, J2 e J3 – corrente e I2 – maré (ver figura 5). As correntesdas condições I1 e J1 têm natureza oscilatória, uma vez que são regidas pela maré, assim esta variação foirepresentada através de uma onda senoidal com amplitude correspondente a valores obtidos anteriormentepor Rocha (2000). Nas condições J2 e J3 a velocidade foi considerada constante devido à presença decorrentes litorâneas, e os valores considerados foram obtidos do trabalho realizado por Rocha (2000). Em I2 amaré foi representada por uma onda senoidal com amplitude obtida da Tábua de Marés para o Porto deTubarão.



Figura 5: Malha computacional e condições de contorno

Após a escolha das condições de contorno, iniciou-se a etapa de calibração do modelo, fazendo-se váriassimulações para reproduzir a direção e a magnitude da velocidade medida no dia 27/09/2000. Em seguida,buscou-se simular numericamente a pluma de esgotos que alcança a Baía através do Canal da Passagem.

Na simulação de Coliformes fecais foi utilizada a densidade de microorganismos de 9x107 NMP/100ml, comlançamento feito através de um emissário hipotético com uma vazão de 0,5 m³/s. O T90 utilizado foi de 1,5 h(Occhipinti, 19--).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

A amostragem de Coliformes fecais, na campanha de 27/09/00, comprovou o nível elevado de degradaçãodas águas do Canal da Passagem, onde foram encontrados valores da ordem de 105 NMP/100ml deColiformes fecais Como pode ser visto na figura 6, com auxílio da figura 4, o aumento da densidade deColiformes fecais ocorre com o avanço da maré vazante, isto é, quando as águas do Canal da Passagemalcançam a Baía do Espírito Santo. Na direção do fluxo principal, pontos 1, 2 e 3, aparecem as maioresdensidades.



1 , E + 0 0

1 , E + 0 1

1 , E + 0 2

1 , E + 0 3

1 , E + 0 4

1 , E + 0 5

1 , E + 0 6

1 5 :36 1 6 :04 1 6 :33 1 7 :02 1 7 :31 1 8 :00 1 8 :28 1 8 :57 1 9 :26 1 9 :55 2 0 :24

Te m p o ( h )

Den

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NM

P/1

00

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P1

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1,E+01

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15:36 16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55 20:24

Te m p o ( h )

Den

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15:36 16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55 20:24

Te m p o ( h )

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P3

1,E+00

1,E+01

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1,E+06

15:36 16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55 20:24

Te m p o ( h )

Den

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NM

P/1

00

ml)

P4

Figura 6: Variação da densidade de Coliformes fecais nos pontos de coleta ao longo da maré vazante.

Após três horas e meia do início da vazante ocorreu um avanço da pluma em direção à Praia de Camburi,uma vez que observou-se um aumento da densidade de Coliformes fecais no ponto 4 (figura 6). Observa-seque o valor de pico de concentração de Coliformes fecais é de magnitude similar às concentrações máximasobservadas nos pontos 1, 2 e 3, porém com tempo de permanência dessa concentração bem inferior emrelação a estes pontos.

Esta influência do Canal no ponto 4 é confirmada com os resultados de salinidade e temperatura, quetambém apresentaram alterações após 3,5 horas. Como mostrado na figura 7, ocorreu uma elevação natemperatura e uma diminuição na salinidade com o avanço da água salobra do Canal.



Figura 7: Variação da Temperatura e da Salinidade no Ponto 4 ao longo da maré vazante.

RESULTADOS NUMÉRICOS

A saída do Canal da Passagem é uma região bastante complexa devido, principalmente, à geometria local.Várias tentativas foram feitas para alcançar uma melhor resposta do modelo em relação às informaçõesobtidas das medições. Dentre essas tentativas podem ser citadas como principais: adequações da geometria,melhoria da batimetria e condições de contorno.

ü Geometria: A saída do Canal da Passagem é formada por um pier, uma ilha e uma ponta de continente epossui em torno de 100 m de largura. Buscou-se reproduzir sua geometria para melhor representar a direçãoda corrente medida em campo, porém as configurações adotadas não foram plenamente satisfatórias. Optou-se então pela redução do tamanho da célula da malha de 20 para 10 m e observou-se uma pequena melhoriada direção da corrente. Contudo o tempo computacional tornou-se elevado e inviabilizou o uso deste tamanhode célula.

ü Batimetria: Foram utilizadas algumas configurações batimétricas no sentido de verificar sua influência nofluxo principal dentro do Canal da Passagem. Verificou-se que tal procedimento não interferiu nosresultados. Uma causa possível da influência da batimetria na simulação do modelo seria o fato dos dadosbatimétricos no interior da Baía datarem de 1983 e já terem ocorrido diversas modificações ao longo da Praiade Camburi daquela data até agora.

ü Condições de Contorno: A configuração de malha apresentada na figura 5 foi adotada após tentativas commalhas de outros tamanhos. Num primeiro teste utilizou-se uma malha de 138 x 279 células, porém não foiobtida uma estabilização das condições de contorno. Um resultado melhor foi alcançado quando a malha foiaumentada para 158 x 279, entretanto, o aspecto da pluma não correspondeu ao observado nas medições. Amalha atual de 360 x 312 células quadradas com 20 m de lado apresentou os melhores resultados.

A figura 8 apresenta o resultado obtido de uma simulação de transporte de Coliformes fecais. O lançamentodo poluente foi feito a partir de um emissário imaginário localizado junto a uma ponte da região, com umavazão de 0,5 m³/s e densidade de 9x107 NMP/100ml. A figura corresponde a três horas após o início davazante.

A pluma simulada representa o espalhamento das bactérias durante a maré vazante. Nota-se que as maioresdensidades de Coliformes fecais encontram-se na direção do fluxo principal, com valores de densidades naordem de 104 NMP/100ml nos pontos 1, 2 e 3, enquanto os dados experimentais mostraram densidades da

20,3

20,4

20,5

20,6

20,7

15:36 16:04 16:33 17:02 17:31 18:00 18:28 18:57 19:26 19:55 20:24

Te m p o ( h )

Tem

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33,6

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34,0

34,2

34,4

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35,2

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)

Temperatura

Salinidade



ordem de 105 NMP/100ml de Coliformes fecais no horário correspondente ao da simulação da figura 8.Ocorre também o deslocamento da pluma em direção a praia, porém com uma densidade inferior à medidaem campo.

Figura 8: Simulação de Coliformes fecais e pontos de amostragem.

O fato da simulação não ter reproduzido completamente os resultados experimentais deve-se à influência devários fatores, onde se pode destacar:

ü A geometria da região é complexa e sua forma de representação no modelo pode ter interferido na direçãodo jato de massa d’água que sai do Canal da Passagem. Outro fator importante é a batimetria, uma vez que osdados disponíveis podem ter sofrido modificações ao longo dos últimos anos.

ü As condições de contorno hidrodinâmicas utilizadas não consideraram o período real da onda de maré noCanal da Passagem. Estudos anteriores mostraram que o período da maré enchente é superior ao da marévazante no ponto P1.

ü Outro ponto importante é a forma de introdução do emissário no modelo numérico, pois este considera oemissário como uma célula da malha e sua concentração de lançamento é distribuída dentro desta célula, aolongo da vertical (modelo 2DH). Assim, a estratificação vertical da pluma de esgotos existente na saída doCanal não é representada no modelo.

CONCLUSÕES

Os resultados experimentais demonstraram que ocorre o deslocamento da pluma de esgotos gerada no Canalda Passagem em direção à praia de Camburi após três horas e meia do início da vazante. Os dados obtidossugerem um espalhamento da pluma de esgotos após alcançar a Baía do Espírito Santo.

Durante a etapa de modelagem computacional verificou-se grande influência da geometria, batimetria econdições de contorno na capacidade preditiva do modelo. A simulação mostrou que as maiores densidadesde Coliformes fecais ocorrem ao longo do fluxo principal do Canal.

Apesar de sua importância, o monitoramento de campo é uma metodologia cara para o acompanhamentorotineiro da qualidade da água de uma determinada região, principalmente em águas costeiras queapresentam uma hidrodinâmica complexa. Dessa forma, os modelos computacionais tornam-se uma



ferramenta bastante apropriada para o gerenciamento dos recursos hídricos costeiros, que depois de validadospermitem a simulação em diferentes condições e o conhecimento da hidrodinâmica necessário à otimizaçãode redes de monitoramento.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem aos órgãos que colaboraram na realização deste trabalho. À Secretaria Municipal deMeio Ambiente (SEMMAM) e ao Fundo de Apoio à Ciência e Tecnologia (FACITEC), ambos da PrefeituraMunicipal de Vitória, pela disponibilização de dados, à Companhia Espírito Santense de Saneamento(CESAN) pelo auxílio laboratorial na análise das amostras, e ao Grupo de Estudos e Ações em RecursosHídricos (GEARH) pela colaboração na realização dos trabalhos de campo. Agradecem ainda a CAPES pelaconcessão de bolsa de estudos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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v. 25, n. 9, pp. 155-164, 1992.9. ROCHA, A. B., Estudo da hidrodinâmica e do transporte de solutos na Baía do Espírito Santo através de

modelagem computacional. 2000, p. 108, Dissertação (Mestrado), Vitória, UFES.

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