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DIAGNÓSTICO ATUAL E SIMULAÇÃO DA FUTURA QUALIDADE DAS ÁGUAS DO RIO DOS SINOS/RS Stephan Hund Prates(1) Engº Civil - Mestrando no CPG - Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Instituto de Pesquisas Hidráulicas - UFRGS. Sérgio João De Luca Professor Titular no Instituto de Pesquisas Hidráulicas - UFRGS.

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Endereço(1): Rua Bento Gonçalves, 9600 - Bairro Agronomia - Porto Alegre - RS - CP 15.029 - CEP: 91501-970 - Brasil - Tel: (051) 3166680 - Fax: (051) 316-6565 - e-mail: [email protected].

RESUMO O objetivo deste trabalho é apresentar o diagnóstico atual da qualidade dos recursos hídricos do rio dos Sinos e realizar uma projeção futura da qualidade destes recursos a partir de um levantamento de dados topográficos, hidrológicos, demográficos, usos do solo, efluentes industriais, atividades agro-pastoris, e resíduos sólidos domésticos, na área de contribuição da Bacia do Rio dos Sinos. Dois cenários de vazão foram utilizados: vazão média de longo prazo e vazões 7Q10. Foi utilizado como modelo de simulação o QUAL2E-UNCAS, da USEPA, com interface para Windows, obtido através da INTERNET. Como parâmetros de simulação do estresse ambiental foram utilizados OD, DBO, Grupo Nitrogênio e Grupo Fósforo. Como parâmetro sinônimo da contaminação sanitária foi utilizada a densidade de Coliformes Fecais.

PALAVRAS -CHAVE: QUAL2E, Atenuação de Cargas, Qualidade de Águas.

INTRODUÇÃO A bacia do Rio dos Sinos está situada a Nordeste do Estado do Rio Grande do Sul, entre os paralelos 29º e 30º Sul. Deságua no Delta do Rio Jacuí, em frente à cidade de Porto Alegre. Seus principais formadores são os rios Rolante, Paranhana e da Ilha, além de uma série de arroios dos mais variados portes, alguns deles, transformados hoje em esgotos a céu aberto. Na parte baixa da bacia os Arroios Luiz Rau, J. Joaquim, João Correa, Portão e outros menores apresentam condições anaeróbias.

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A área total da bacia é de 3.710 km², com um comprimento médio de talvegue de 190 km. A vazão média específica da bacia é de 11,72 l/s km², e contribui com 3,4 a 5,24% da vazão média global de 1050 m3/s do Delta do Jacuí.

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A Região Metropolitana de Porto Alegre, que inclui o baixo Sinos e o baixo Gravataí, tem 3,4% da concentração industrial brasileira. A contaminação atmosférica local pode ter grande significado em termos de contaminação dos recursos hídricos da bacia do Rio dos Sinos. O setor coureiro calçadista tem cerca de 200 indústrias no Rio Grande do Sul, sendo que cerca de 80 curtumes e afins se encontram localizados na bacia do Rio dos Sinos. Para auxiliar o diagnóstico, utilizou-se um modelo de simulação de qualidade de água. O modelo escolhido foi o QUAL2E, o mais versátil na área, tendo sido desenvolvido pela USEPA, sendo usado a versão 1.0 para WINDOWS, de 1995. Este modelo pode simular a qualidade da água de um sistema fluvial, combinando até 15 parâmetros de qualidade de água, três substâncias conservativas e uma arbitrária não conservativa. Os mecanismos de transporte na direção principal da vazão são: advecção e dispersão. O modelo admite a entrada de dados de múltiplos pontos de lançamento de efluentes e retiradas d’água para cada trecho de simulação. Além disso, é capaz de calcular a vazão incremental necessária de água a fim de manter um nível mínino de Oxigênio Dissolvido (OD). Na representação conceitual do sistema fluvial, o modelo QUAL2E divide cada trecho adotado ao longo do rio em subtrechos, denominados de elementos computacionais com mesmo comprimento elementar (Dx), que são considerados completamente misturados. Para cada elemento computacional, efetua-se um balanço hidráulico em função das vazões: - a montante: (Qi-1); - de fontes externas ou retiradas: (Qxi); - a jusante: (Q i). Analogamente, realiza-se uni balanço de massa em termos de: - advecção.- (Q.C); - dispersão: (Ax. DL . dC) Dx ?x - fontes externas ou retiradas: (Qx.Cx), assim como as descargas de um efluente ou a diversificação de vazão; - fontes internas ou perdas: (S i), assim como as suas transformações biológicas e as fontes bentônicas. Desse modo, o curso d'água em simulação pode ser conceituado como uma seqüência de reatores com mistura completa (elementos computacionais), os quais são unidos através dos mecanismos de advecção e de dispersão. Por sua vez, os grupos seqüenciais destes reatores são definidos como trechos, desde que possuam propriedades hidrogeométricas iguais (declividade do rio, seção transversal do canal, rugosidade, etc.) com mesmas constantes das taxas de reação química e biológica. Em sua representação funcional, o modelo QUAL2E adota uma equação unidimensional do tipo advecção-dispersão no transporte de massa com integração numérica espaço-temporal. Assim, obtém-se a equação de transporte de massa para um parâmetro qualquer, em condições de escoamento permanente, escrita como:

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?

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? ?c ? 1 ? dC s A x uC ? ? ?A x D L ? ? A x ?x ? ?x ? A x ?x dt V ?

?

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?

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onde: x = distancia (L); t = tempo (T); C = concentração do parâmetro de qualidade da água (ML-3); AX = área da seção transversal perpendicular a direção x (L2); DL = coeficiente de dispersão longitudinal (L2T-1); _ u = velocidade média da seção transversal (LT-1); s = fontes externas ou perdas (MT-1); V = volume de controle (L3). O termo (dc/dt) inclui as reações biológicas, químicas e físicas com suas interações no curso d'água, não devendo ser confundido pelo termo (?c/?t) referente ao seu gradiente de concentração local, que iguala -se a zero sob condições de regime estável. As expressões matemáticas que descrevem as ações e as interações dos parâmetros de qualidade da água, presentes no modelo de qualidade da água QUAL2E, encontram-se na documentação do seu manual com explicações detalhadas. No aspecto hidráulico, o modelo simula somente períodos de tempo em que tanto a vazão quanto as cargas poluentes são constantes. Com isso, o modelo QUAL2E em regime estável pode avaliar os impactos de despejos de poluentes pontuais e, em conjunto com um programa de monitoramento dos cursos de água, de cargas poluentes não pontuais sobre a qualidade da água. Para a simulação do rio dos Sinos, foram selecionados os parâmetros a seguir: DBO, OD, grupo N, grupo P, clorofila-a, Coliformes fecais; Elemento não conservativo: DQO; Elementos conservativos: Alcalinidade, Sulfatos e Cloretos; A bacia hidrográfica do rio dos Sinos foi subdividida em 59 sub-bacias. O critério adotado para a divisão das sub-bacias foi escolher-se microrregiões proximamente homogêneas em termos de ocupação e uso do solo, bem como suas características fisiográficas. O curso principal do rio foi dividido em 15 trechos e os rios Paranhana, Rolante e da Ilha em 6, 4 e 2 trechos, respectivamente, aos quais aportam as drenagens das sub -bacias, entradas pontuais de industrias e retiradas de água para abastecimento, a montante de cada trecho. Primeiramente foram calculadas as cargas potenciais da bacia, levando-se em consideração as fontes de poluição como população urbana, população rural, drenagem pluvial urbana, fontes difusas rurais, dessedentação de animais (de grande e pequeno porte),irrigação e aquicultura, efluentes industriais, resíduos sólidos domésticos, precipitação atmosférica e água subterrânea (FEPAM, 1996, FEE, 1996, DE LUCA & IDE, 1991). Uma vez calculadas as cargas potenciais de contaminação por sub -bacia,por fonte e por parâmetros, calculou-se os coeficientes de atenuação de cargas das sub-bacias (DE LUCA et al., 1995).

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Tem-se verificado que as cargas poluentes medidas nas seções de controle de qualidade da água são bem menores que os previstos ou preditos. As cargas de contaminantes sejam de fontes pontuais ou de fontes difusas sofrem algum tipo ou grau de redução entre a fonte emitente e a chegada a corpo dágua principal, onde é medida. Na realidade esta atenuação ocorre inicialmente nos arroios e canais que conduzem as drenagens contaminadas e, posteriormente, pelo poder de autodepuração do próprio corpo dágua (DE LUCA & PRATES, 1996). Para a modelagem, a atenuação considerada é proveniente da razão entre as massas calculadas e as massas verificadas (concentração x vazão), com dados de qualidade de água. Com esta atenuação, e com a calibragem do modelo, foi-se possível a simulação das condições atuais. Os coeficientes de atenuação encontrados foram utilizados para o cálculo das concentrações futuras.

CONCLUSÕES As Tabelas 1 e 2 apresentam as simulações do cenário atual do rio dos Sinos e seus formadores. A Tabela 1 apresenta dados para a vazão de longo prazo, ao passo que a Tabela 2 apresenta dados para a vazão 7Q10. Obteve -se bons ajustes para OD, DBO e Coliformes fecais em ambos os cenários. Há necessidade de se refinar as simulações de Nitrogênio e Fósforo. As Tabelas 3 e 4 apresentam a projeção para o ano 2010, dos cenários de qualidade da água, embutidas nas cargas e concentrações que alimentam o modelo, projeções de população, produção agricola e industrial, etc.. A Tabela 3 mostra para a vazão de longo período quais as concentrações médias esperadas de OD, DBO, Nt, Pt e Coliformes Fecais no ano de 2010. A Tabela 4 apresenta para a pior situação hidráulica, 7Q10, as concentrações dos parâmetros simulados. O Gráfico 1 apresenta as concentrações de DBO 5 simuladas no modelo QUAL2E, para as condições atual e futura, vazão média de longo prazo. Identifica-se uma elevação da concentração à medida que se aproxima da foz, sendo caracterizada por baixas declividades do curso d’água. No Gráfico 2 é apresentada a simulação para DQO, em que a mesma tendência se verifica. O Gráfico 3 apresenta os resultados da simulação para Fósforo Total e o Gráfico 4 para Coliformes Fecais. Nos Gráficos 2, 3 e 4 não ocorreram diferenças significativas entre as simulações com as cargas para a condição atual e futura. Já no Gráfico 1, para a condição atual temos concentrações superiores do que para a futura. O fato de estarmos usando a atenuação das cargas atuais para a condição futura pode ser um dos fatores contribuintes para estes resultados. A vazão de retorno de águas servidas é maior para a condição futura, o que causa um efeito de diluição. Nota-se nas Tabelas 2 e 4 que nos trechos SI 04 até a foz os teores de OD serão muito baixos, necessitando-se implementar obras e tratamentos das várias fontes poluentes para seu controle. Interessante notar também, que com o aumento populacional e maior urbanização, no ano 2010 a situação 7Q10 será melhor que a atual, pelo maior retorno de esgoto e pela maior produção de 19o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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escorrimento superficial. Em termos de coliformes fecais, no entanto, continuará haver forte contaminação daquele rio, das nascentes até a foz no cenário de águas baixas. Tabela 1: Valores Observados e Simulados - Rio dos Sinos Vazão Média de Longo Período - Usos Atuais km

OD

DBO

DQO

N total

P total

OBSERVADO ATUAL

5,60

0,40

17,60

1,95

0,02

Coliformes Fecais (NMP/100ml) 2,95E+02

SIMULADO ATUAL

8,03

1,57

6,18

0,87

0,13

3,30E+02

OBSERVADO ATUAL

7,30

1,20

9,45

1,42

0,17

9,96E+02

SIMULADO ATUAL

7,71

1,40

7,09

0,87

0,14

5,45E+02

OBSERVADO ATUAL

7,20

1,40

9,70

0,92

3,73

9,90E+02

SIMULADO ATUAL

7,66

1,41

9,48

0,73

0,12

2,00E+03

OBSERVADO ATUAL

7,50

1,50

10,10

0,97

0,21

6,97E+03

SIMULADO ATUAL

7,40

1,37

9,91

0,73

0,12

2,04E+03

OBSERVADO ATUAL

7,20

1,40

11,10

1,08

0,23

3,89E+03

SIMULADO ATUAL

6,86

1,50

9,92

0,80

0,13

2,22E+03

OBSERVADO ATUAL

7,20

1,60

10,60

1,13

0,24

5,34E+03

SIMULADO ATUAL

6,84

1,59

10,38

0,80

0,13

2,27E+03

44

OBSERVADO ATUAL

6,70

1,90

12,00

1,22

0,29

1,11E+04

SI 04

38

SIMULADO ATUAL OBSERVADO ATUAL

6,82 6,20

1,61 2,40

10,48 13,20

0,81 1,53

0,13 0,37

2,38E+03 2,32E+04

SIMULADO ATUAL

6,86

1,90

12,39

0,84

0,13

2,40E+03

SI 03

28

OBSERVADO ATUAL

5,40

2,90

13,10

1,81

0,43

3,05E+04

SIMULADO ATUAL

6,85

2,02

12,32

0,84

0,13

2,34E+03

OBSERVADO ATUAL

4,50

3,40

14,40

2,18

0,43

1,35E+04

SIMULADO ATUAL

6,81

2,50

12,84

0,90

0,14

3,37E+03

OBSERVADO ATUAL

4,40

2,80

14,10

2,18

2,10

5,05E+03

SIMULADO ATUAL

6,77

2,77

14,26

0,92

0,14

1,28E+04

OBSERVADO ATUAL

5,10

3,20

12,10

2,95

1,16

1,00E+04

SIMULADO ATUAL

6,64

2,94

15,02

0,99

0,17

1,17E+04

SI 11 SI 10 SI 09 SI 08 SI 07 SI 06 SI 05

SI 02 SI 01 FOZ

151 105 92 82 55 48

19 8 0

Obs: concentrações em mg/l exceto onde anotado

Tabela 3: Valores Simulados RIO DOS SINOS Vazão Média de Longo Período - Usos Futuros km SI 11 SI 10 SI 09 SI 08 SI 07 SI 06 SI 05 SI 04 SI 03 SI 02 SI 01

151 105 92 82 55 48 44 38 28 19 8

OD mg/L 7,97 7,73 7,64 7,36 6,80 6,78 6,76 6,80 6,78 6,74 6,69

DBO mg/L 1,97 1,39 1,70 1,67 1,85 1,99 2,02 2,46 2,63 3,18 3,55

DQO mg/L 6,18 7,09 9,35 9,80 9,84 10,36 10,48 12,61 12,56 13,15 14,72

N total mg/L 0,87 0,87 0,73 0,73 0,80 0,82 0,82 0,86 0,86 0,91 0,94

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P total Coliformes Fecais mg/L (NMP/100ml) 0,13 3,30E+02 0,14 5,45E+02 0,12 1,96E+03 0,12 1,99E+03 0,13 2,19E+03 0,13 2,25E+03 0,13 2,38E+03 0,14 2,40E+03 0,13 2,34E+03 0,14 3,48E+03 0,14 1,36E+04 2011

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FOZ

0

6,54

3,73

15,55

1,01

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0,17

1,25E+04

2012

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Tabela 2: Valores Observados e Simulados - Rio dos Sinos Vazão Q7,10 - Usos Atuais km 151

OBSERVADO ATUAL

6,60

2,70

15,00

1,55

1,17

Coliformes Fecais (NMP/100ml) 5,00E+04

SI 10

105

SIMULADO ATUAL OBSERVADO ATUAL

6,63 4,50

16,56 4,70

11,34 16,30

1,14 4,51

2,51 0,42

5,20E+05 3,50E+04

SIMULADO ATUAL

6,29

15,58

11,79

0,99

1,80

9,72E+07

SI 09

92

OBSERVADO ATUAL

4,50

3,10

21,00

2,14

0,44

1,30E+04

SIMULADO ATUAL

6,70

11,51

14,55

1,08

1,28

4,20E+09

OBSERVADO ATUAL

5,00

3,00

26,50

2,22

0,97

1,40E+04

SIMULADO ATUAL

7,41

10,57

15,41

1,10

1,34

1,27E+09

OBSERVADO ATUAL

4,40

2,70

19,90

1,86

0,49

2,80E+04

SIMULADO ATUAL

12,72

10,43

16,58

1,82

2,07

2,15E+09

OBSERVADO ATUAL

4,00

2,30

16,30

1,35

0,53

3,00E+04

SIMULADO ATUAL

10,26

11,14

16,64

2,01

2,45

3,16E+09

OBSERVADO ATUAL

4,20

4,00

19,40

2,77

0,54

7,00E+04

SIMULADO ATUAL

8,80

11,06

16,49

2,10

2,54

1,13E+09

OBSERVADO ATUAL

3,80

6,80

20,70

2,34

0,76

1,70E+05

SIMULADO ATUAL

6,10

13,53

19,05

2,78

3,60

9,68E+09

28

OBSERVADO ATUAL

1,80

8,70

17,50

3,11

1,10

1,70E+05

SI 02

19

SIMULADO ATUAL OBSERVADO ATUAL

2,73 0,00

14,02 14,00

19,44 25,90

3,11 4,57

3,71 0,87

8,73E+07 3,00E+05

SIMULADO ATUAL

0,86

17,82

24,90

1,06

3,76

1,99E+08

SI 01

8

OBSERVADO ATUAL

1,80

8,20

22,90

5,33

0,78

5,00E+04

SIMULADO ATUAL

0,68

18,92

27,29

7,41

4,08

7,29E+08

OBSERVADO ATUAL

1,90

12,80

19,00

4,89

6,20

2,30E+04

SIMULADO ATUAL

0,92

18,93

30,42

12,25

18,47

1,99E+08

SI 11

SI 08 SI 07 SI 06 SI 05 SI 04 SI 03

FOZ

82 55 48 44 38

0

OD

DBO

DQO

N total

P total

Obs: concentrações em mg/l ex ceto onde anotado

Tabela 4: Valores Simulados RIO DOS SINOS Vazão Q7,10 - Usos Futuros km

OD

DBO

DQO

SI 11 151 6,53 21,75 11,37 SI 10 105 6,21 18,95 11,82 SI 09 92 6,63 13,71 14,58 SI 08 82 7,28 12,74 15,45 SI 07 55 12,45 12,72 16,56 SI 06 48 9,97 13,79 16,57 SI 05 44 8,45 13,76 16,40 SI 04 38 5,65 17,45 18,65 SI 03 28 2,10 18,17 19,11 SI 02 19 0,11 22,41 24,84 SI 01 8 0,00 23,82 27,52 FOZ 0 0,00 23,38 31,73 Obs: concentrações em mg/l exceto onde anotado

N total 1,14 0,99 1,07 1,10 1,83 2,00 2,09 2,69 3,03 3,84 7,62 13,66

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P total Coliformes Fecais (NMP/100ml) 2,51 5,28E+05 1,81 9,50E+07 1,27 3,78E+09 1,33 1,27E+09 2,05 2,02E+09 2,40 2,93E+09 2,49 1,04E+09 3,43 8,67E+09 3,55 8,02E+07 3,60 1,95E+08 3,98 7,79E+08 21,82 2,44E+08

2013

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Vazão Média de Longo Prazo - Rio dos Sinos/RS - 1996.

4

DBO (mg/L O2)

3,5

DBO Atual DBO Futura

3 2,5 2 1,5 1 0,5

Foz

Nascente

0 160

140

120

100

80 km

60

40

20

0

Figura 1: Valores Simulados de DBO Atual e Futura, Vazão Média de Longo Prazo no Rio dos Sinos/RS - 1996.

Vazão Média de Longo Período - Rio dos Sinos/RS - 1996.

mg/L O2

16 14

DQO Atual

12

DQO Futura

10 8 6 4 2

Foz

Nascente

0 160

140

120

100

80 km

60

40

20

0

Figura 2: Valores Simulados de DQO Atual e Futura, Vazão Média de Longo Prazo no Rio dos Sinos/RS - 1996.

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2014

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P total (mg/L)

Vazão Média de Longo Prazo - Rio dos Sinos/RS - 1996. 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 Nascente 0 160 140

P total Atual P total Futuro

Foz 120

100

80 km

60

40

20

0

Figura 3: Valores Simulados de Fósforo Total Atual e Futuro, Vazão Média de Longo Prazo no Rio dos Sinos/RS - 1996.

Vazão Média de Longo Prazo - Rio dos Sinos/RS - 1996. 1,40E+04

Coliformes Fecais (NMP/100mL)

1,20E+04

Coliformes Fecais Atual Coliformes Fecais Futuro

1,00E+04 8,00E+03 6,00E+03 4,00E+03 2,00E+03 0,00E+00 160

140

120

100

Nascente

80 km

60

40

20

0

Foz

Figura 4: Valores Simulados de Coliformes Fecais Atual e Futuro, Vazão Média de Longo Prazo no Rio dos Sinos/RS - 1996.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. 2. 3. 4.

5.

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19o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

2015