Sistemas Estuarinos Costeiros
MÓDULO III:
Processos de Transporte em Estuários
Carlos Ruberto Fragoso Júnior, Centro de Tecnologia, UFAL
SIMPLES ESTIMATIVAS DE QUALIDADE DA ÁGUA
OBJETIVO
Aprender simples técnicas de estimativas relacionadas à
qualidade da água e suas aplicações. Estas estimativas são
ferramentas importantes que ajudam o entendimento do
estuário e ajudam o acesso de técnicas mais complexas.
Estas técnicas podem ser utilizadas para uma avaliação
premilinar no estuário.
2
SIMPLES ESTIMATIVAS DE QUALIDADE DA ÁGUA
CONTEÚDO:
I
Conceitos e definições
II
Diluição
III
Balanço de Massa
IV
Análise de salinidade
V
Tempo de residência
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I
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
MODELOS (Estimativas):
Ferramentas que nós usamos para tentar prever razoavelmente
consequências de várias ações.
Modelos utilizam equações matemáticas para representar a realidade e
nos oferecer estimativas de prováveis resultados
Em particular aqui, nós desenvolvemos modelos para prever impactos
das cargas na qualidade da água
Por exemplo. Se nós aumentassemos a carga de N para 100kg por mês
qual seria a concentração de fitplâncton?
4
I
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Concentração:
Note:
C=
massa por unidade de volume
e.g.
mg/l
Concentração (M/V) x taxa de escoamento (V/T) = massa/taxa (M/T)
Diluição:
S = volume de uma amostra/ volume de efluente na amostra
p = 1/S
= concentração relativa
[ p: 1/S = 0 água pura]
Exemplo:
Volume da amostra = 1000mL
Volume de efluente = 50ml
S = 1000/50 = 20
i.e. realizou 20 diluições
Fluxo:
Quantidade de massa que passa através de uma área em um determinado tempo
5
I
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Estado Permanente e não Permanente:
• Estado Permanente implica que as variáveis dentro do sistema não
mudam com o tempo.
•eg rios podem apresentar estado permanente por períodos
• Não permanente implica que as variáveis mudam com respeito ao tempo.
•eg estuários usualmente não apresentam estado permanente –
maré semi-diurna
6
I
CONCEITOS E DEFINIÇÕES
Capacidade assimilativa depende da mistura e diluição :
Estuário – Grande volume e bem misturado
- Pouco volume e mal misturado
Assim impactos na qualidade da água são devidos a uma combinação de cargas
de poluentes e características do corpo receptor
7
II
DILUIÇÃO
8
II
DILUIÇÃO
Problemas próximo ou afastado da fonte apresentam
diferentes taxas e comportamentos:
• Difusor realiza rápida diluição inicial O(100)
•Dentro de horas a diluição incremental é da ordem de O(5-10)
•Padrões de circulação locais influenciam significativamente a
diluição
9
II
DILUIÇÃO
Exemplo de diluição:
• Considere um efluente com DBO = 350mg/l
• Concentração no corpo receptor de DBO = 2mg/l
• Diluição 350/2 = 175
Este calculo dita frequentemente o projeto de emissários
10
III
BALANÇO DE MASSA
11
III
BALANÇO DE MASSA
Os processos ambientais são baseados em três
fundamentais leis da física:
• Conservação da energia
• Conservação do momento
• Conservação da massa
Massa não pode ser criada ou destruída, mas meramente transferida ou
transformada
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III
BALANÇO DE MASSA
Massa entrando em um sistema =
Mudança de massa no sistema + massa saindo
Massa que entra – massa que sai = mudança da massa no
sistema
dM
M M 

M que
dt
entra
sai
entra
M_que
sai
Trecho de rio
13
III
BALANÇO DE MASSA
Aplicação do balanço de massa (estado permanente)
Ponto A:
Rio
Efluente
Qr
= 10m3/s
Cr
= 3mg/l DBO
Qd
= 0.5m3/s
Cd
= 300mg/l DBO
Encontre a concentração de DBO no rio em B:
QB x C B = Qr x Cr + QA x C A
A
Condição de
regime
permanente
or CB = Qr x Cr + QA x CA
B
QB
= 17.1mg/l
14
Q = taxa de escoamento
C = concentração de DBO
III
BALANÇO DE MASSA
Usado para uma avaliação preliminar:
• Rios com múltiplos lançamentos de efluentes e
tributários
• Estuários lineares simples
• Diluição inicial após o ponte de emissão do efluente
15
III
BALANÇO DE MASSA
Modelos de dimensão zero
• Assume que toda a massa é uniformemente misturada em todo o volume
• Reator de mistura completa
• Simples exemplo
Volume (V)
= 283x106 m3
Entrada de Mg (M) mensal
= 100kg
Concentração média
= M/V
= 0.35mg/l
16
IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
17
IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
A partir de medições distribuídas de salinidade em um
estuário:
• Razão de troca por maré
• Concentrações aproximadas dos poluentes
• Condições iniciais da qualidade da água
• Diluições
• Capacidade assimilativa e residência
• Coeficientes de dispersão
• Estratificação
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IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
Razão de troca por maré (R) : razão entre o volume de água de boa
qualidade que vem do oceano e o volume total de água que entra durante uma
maré enchente.
Quanto maior R => melhor a diluição e mistura
So
Vf
Sf
Vr
Se
R = (Sf – Se)/(So-Se)
OR
19
R = [Se/(So-Se)]/(Vr/Vf)
IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
Dado um lançamento de um poluente:
faça a previsão da concentração no estuário!
• Use a distribuição de salinidade
como um guia
• No ponto de emissão, assuma
que a água do oceano é diluída,
mistura-se com o efluente e a
água do tributário e retorna para
20
o mar
IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
Volume de diluição do lançamento:
Do balanço de massa de sal:
QoSo = (Qo+Qe+Qf)S
Qo = (Qe+Qf)S/(So-S)
Vazão total para diluição do efluente:
Qd = Qo+Qe+Qf
= (Qe+Qf)So/(So-S)
∴ Conc. Média do efluente próximo ao
ponto de emissão:
21
Cd = We/Qd , onde We = Ce.Qe
IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
Exemplo: Diluição de efluente (Parte A)
•
Uma industria lança 0,5m3/s de um efluente contendo 5mg/l de uma sustância química tóxica. A
vazão mínima do tributário (rio afluente) é de 10m 3/s.
•
Medições de salinidade no ponto de lançamente e nas águas costeiras oceânicas são de 19ppt e
33ppt, respectivamente.
•
Estime a concentração média da substância tóxica na vizinhança do lançamento.
Solução:
i)
Estime o volume de diluição do efluente
Qd = (Qe+Qf)So/(So-S)
= (0,5 + 10) x 33 / (33 – 19)
= 24,75m3/s
ii)
Estime a concentração média
C = W/Qd
= 5 x 0,5 / 24,75
= 0,1mg/l
22
IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
Concentrações a montante e a jusante do lançamento
(Material conservativo)
Montante:
Poluente diluído similar a diluição da salinidade
MAR
S
A
L
I
N
I
D
A
D
E
So
Concentração a montante em X:
Sd
Sx
Cx = Cd(Sx/Sd)
‰
Ponto de
lançamento - d
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X
IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
Concentrações a montante e a jusante do lançamento
(Material conservativo)
Jusante:
Poluente diluído similar à água doce
Índice de água doce = (So – Sx)/So
MAR
S
A
L
I
N
I
D
A
D
E
0 -> 1
So
(So – Sx)
‰
(So – Sd)
Índice de
água doce
Concentração a jusante em X:
Cx = Cd(So-Sx)/(So-Sd)
X
Ponto de
lançamento - d
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IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
Exemplo: Diluição de efluente (Parte B)
•
Mesmas condições do problema anterior (Parte A)
•
Medidas de salinidade: a) ponto a jusante do lançamento 24ppt
b) ponto a montante do lançamento 5ppt
•
Estime a concentração média de uma substância tóxica nestes dois pontos:
Solução:
i)
Concentração a jusante
C = 0,1 x (33-24)/(33-19)
= 0,064mg/l
MAR
ii)
Concentração a montante
C = 0,1 x 5 / 19
= 0,026mg/l
0.1
mg/l
25
IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
Grade de qualidade da água inicial – medições de qualidade da água
Ortofosfato
Salinidade
0.034 mg/l
0.032 mg/l
0.030 mg/l
0.028 mg/l
0.026 mg/l
0.024 mg/l
0.022 mg/l
0.020 mg/l
0.018 mg/l
0.016 mg/l
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IV
ANÁLISE DA SALINIDADE
Grade de qualidade da água inicial – medições de qualidade da água
Cork Harbour:
BOD (mg/l)
=
3.17 - 0.0762 (SAL)
TN(mg/l N)
=
5.36 - 0.145 (SAL)
TAN(mg/l N)
=
0.335 - 0.00742 (SAL)
TON(mg/l N)
=
4.41 - 0.127 (SAL)
DO(mg/l)
=
10.67 + 0.202 (SAL) + 0.00524 (SAL) 2
TP (mg/l P)
=
0.173 - 0.00375 (SAL)
SRP (mg/l P)
=
0.0992 - 0.00214 (SAL)
CHL (mg/m3)
=
2.311*SAL
27
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
28
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Significância?
•Os tempos de descarga e de residência são usados para obter entendimento da
velocidade média de renovação e retenção de material.
•Particularmente eles são úteis em intercomparações entre estuários
•O tempo de residência pode ser relacionado ao crescimento de algas – muito útel
para qualidade da água
•É preciso experiência para avaliar os valores estimados
e.g. Um tempo de descarga de 10 dias é curto ou longo?
29
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Intercomparações:
B
L
VM×106
VH×106
H
P×106
R
Tf
ESTUÁRIO
[m]
[m]
[m3]
[m3]
[m]
[m3]
[m3/s]
[d]
Dublin
9808
13178
503
601
6.6
0.326
7
1
Kinsale
550
5000
18
22
6.7
0.332
16
3
Wexford
5520
26820
60
75
1.9
0.417
27
10
Casheen
1690
3445
48
60
6.7
0.38
0
15
Cork
4320
25020
283
358
5.3
0.416
7
22
Killary
975
14600
124
138
11.5
0.198
6
60
Shannon
3024
87507
8701
9456
17.1
0.16
172
116
Galway
13090
29810
3310
3698
13.2
0.21
82
521
Dingle
9250
47500
16630
17230
33.7
0.07
20
871
30
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Metodologias existentes
Método do Prisma de Maré
Método do Prisma de Maré Modificado
Modelos de Caixa
Modelo de Prisma de Maré de Pritchard
Modelos de caixa de escritório
Modelos de Prisma de Maré de Robinson
Método da fração de água doce
‘Mixed’ and ‘New’ Water Concept
Circulação de sumidouro/jato
Teoria do tamanho de mistura
Método do balanço de Sal
Teorema do hidrograma de Knudsen
Modelo do fator de escoamento
Estudos de decaimento de corante conservativo
Modelos de escala física
31
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Diferentes tipos e definições
a) Tempo de descarga:
Tempo para substituir o volume de água doce (Vf) dentro de um estuário a uma
taxa de escoamento através do estuário (R)
Tf = Vf/R
• Requer muito esforço de medição para calcular Vf
Onde:
• Método do prisma de Maré – fácil de calcular*:
T = período de um ciclo de maré
V = vol. do estuário
Tf = TxV/(Vt + Vr)
*Prever o limite mais baixo de Tf
Vt = vol. da maré de enchente
32
Vr = vol. do rio
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
b) Tempo de residência:
O tempo médio de uma dada particula em um estuário
• Similar ao conceito de “tempo de reversão”:
O tempo requerido para remover 63% da água em um estuário
• Mais difícil de calcular do que o tempo de descarga
• Requer métodos mais complexos (e.g. modelos) para calcular esse
tempo com precisão
33
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Eficiência de descarga:
• Coeficiente de troca por ciclo de maré (E):
Fração da água que é removida e substituida durante cada ciclo de maré
Similar ao Razão de troca por Maré (R) – visto anteriormente
• Razão de Prisma de Maré (Tidal Prism Ratio):
Onde:
VH = vol. do estuário na maré alta
VL = vol. do estuário na maré baixa
• Eficiência de descarga:
34
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Considere a Baía de Dublin – bem descarregada:
35
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Correntes – Maré vazante
Correntes - Maré
enchente
Descarregando em ambos
estágios da maré
36
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Correntes residuais:
Rede de correntes
após um ciclo de maré
37
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Curvas de decaimento
Baía de Dublin
• Inicialmente completamente
misturada com o corante
• Maré, rio, vento mistura e transporta
o corante
• O corante é descarregado para fora
ao longo do tempo
38
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Curvas de decaimento
• Forma similar a Baía de Dublin
Porto de Killary
• Contudo curvas não são tão
íngremes
• Descarga mais lenta
Cn/Co = 0.1
Baía de Dublin 5-6 ciclos de maré
Porto de Killary 250 ciclos
39
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Efeito de Amplitude de maré
Baía de Dublin
•Tempo de residência
deve ser comparado de
igual para igual
Exemplo: maré de sizígia
com maré de sizígia
40
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Baía de Galway
Correntes residuais
• Correntes menores do que
a Baía de Dublin
• Particularmente na parte
interna
• Pobre descarga
41
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Baía de Galway
Rio Corrib - hidrograma
• Grande variação sazonal
• Fator de 5
• Efeito significativo na parte
interna
42
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Efeito de rios afluentes
Baía de Galway
• Variações significantes
• Tempo de residência ‘Sazonal’
• Descarga melhorada no inverno
43
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Classificação dos Estuários – Segundo a Maré
44
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Classificação dos Estuários – Segundo mecanismo de descarga
45
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Classificação dos estuários – Segundo o Tempo de residência
46
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Classificação dos estuários – Segundo a Eficiência de Descarga
47
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Calculo do tempo de residência:
Fórmula baseada em simples características físicas dos estuários:
1
 r  6.936 
 1.628  103  B0  8.142  104  L  8.142  1012  H 2  L2  5.697
TPR
48
V
TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA
Nutrientes & Descarga:
• Algas requerem tempo para assimilar nutrientes
• Receita de bolo:
Tr < 3days (sem floração de algas)
•Possível relacionar cargas críticas de N/P ao Tr
49