SUMÁRIO
PARTE A
CONCEITOS BÁSICOS E ESTUDOS DE CARACfERIZAÇÃO
í
CAPÍTULO 1
Introdução
Marcos von Sperling
1.1.
PRELIMINARES
21
1.2.
SISTEMA DE UNIDADES
21
1.3.
INTRODUÇÃO À QUALIDADE DA ÁGUA
1.3.1. Preliminares
1.3.2. Parâmetros de qualidade das águas
1.3.3. Parâmetros físicos e físico-químicos
1.3.4. Parâmetros biológicos
23
23
26
28
37
1.4.
PROPRIEDADES
38
1.5.
LEGISLAÇÃO
1.6.
INTRODUÇÃO À MODELAGEM MATEMÁTICA
QUALIDADE DA ÁGUA
1.6.1. Preliminares
1.6.2. Procedimento para modelagem
1.6.3. Definição dos objetivos do modelo
1.6.4. Concepção do modelo
1.6.5. Seleção do tipo de modelo
FÍSICAS DA ÁGUA
AMBIENTAL.
43
DA
47
47
48
51
52
53
CAPÍTULO 2
Características hidrológicas de rios
Mauro Naghettini, Marcos von Sperling
2.1.
INTRODUÇÃO
59
2.2.
A BACIA HlDROGRÁFICA
60
2.3.
VAZÕES DOS CURSOS D' ÁGUA
64
2.4.
VAZÕES DE REFERÊNCIA E VAZÕES DE ESTIAGENS
2.4.1. Vazões de estiagem
2.4.2. Vazões de referência para estudos de modelagem
2.4.3. Vazão de referência Q90 (ou Q95)
2.4.4. Vazão de referência Q7,1O
68
68
70
71
74
2.5.
REGIONALIZAÇÃO
86
2.6.
CONTRIBUIÇÕES AO LONGO DO PERCURSO
2.6.1. Preliminares
2.6.2. Contribuições e captações pontuais
2.6.3. Vazão incremental por drenagem direta
DE VAZÕES E DESCARGA ESPECÍFICA
89
89
89
90
CAPÍTULO 3
Princípios de hidráulica fluvial
Márcio Baptista, Marcos von Sperling
3.1.
INTRODUÇÃO
97
3.2.
CLASSIFICAÇÃO
3.3.
FUNDAMENTOS DO ESCOAMENTO EM CANAIS
3.3.1. Equações fundamentais
3.3.2. Parâmetros geométricos e hidráulicos característicos
3.3.3. Variação da velocidade de escoamento
102
102
107
111
3.4.
ESCOAMENTO UNIFORME
3.4.1. Caracterização do escoamento uniforme
3.4.2. Resistência ao escoamento - Fórmula de Manning
3.4.3. Utilização da fórmula de Manning
3.4.4. O coeficiente de rugosidade de Manning
113
113
114
116
129
DOS ESCOAMENTOS
98
CAPÍTULO 4
Morfologia fluvial
Márcio Baptista, Marcos von Sperling
4.1.
INTRODUÇÃO
139
4.2.
4.3.
ESCALAS E DINÂMICA DA CONFIGURAÇÃO
SISTEMAS FLUVIAIS
DOS
140
PROCESSOS DE FORMAÇÃO DO CANAL FLUVIAL.
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
:
4.3.1. Transporte de sedimentos. Ciclo hidrosedimentológico
4.3.2. Características do leito fluvial
4.3.3. Princípio do movimento. Ábaco de Shields
4.3.4. Quantificação do transporte de sedimentos
142
142
144
145
149
MORFOLOGIA DO LEITO E DO CANAL FLUVIAL EM
ESCALA LOCAL
4.4.1. Seção transversal
[
4.4.2. Leito fluvial
4.4.3. Conformações topográficas localizadas
155
155
157
159
4.5.
MORFOLOGIA DOS SISTEMAS FLUVIAIS
4.5.1. Classificação dos canais
4.5.2. Rios com canais únicos
4.5.3. Rios com canais múltiplos
160
160
162
166
4.6.
RELAÇÕES ENTRE CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS
MORFOLÓGICAS DOS RIOS
4.6.1. Preliminares
4.6.2. Velocidade de escoamento no curso d'água
4.6.3. Profundidade e largura do curso d'água
4.6.4. Declividade
4.4.
E
170
170
170
176
180
CAPÍTULOS
Rios como reatores biológicos
Marcos von Sperling
5.1.
INTRODUÇÃO
185
5.2.
CINÉTICA DE REAÇÕES
5.2.1. Tipos de reações
5.2.2. Reações de ordem zero
;
5.2.3. Reações de primeira ordem
5.2.4. Interpretação do coeficiente de reação K
5.2.5. Métodos de integração das equações diferenciais
5.2.6. Influência da temperatura
186
186
189
190
191
192
196
5.3.
TRANSPORTE E BALANÇO DE MASSA
:
5.3.1. Transporte de massa em rios
5.3.2. Balanço de massa em um compartimento de rio
5.3.3. Estado estacionário e estado dinâmico
197
197
198
200
5.4.
REPRESENTAÇÃO HIDRÁULICA DE RIOS COMO REATORES
5.4.1. Introdução
5.4.2. Reator de fluxo em pistão ideal
5.4.3. Reator de mistura completa ideal
5.4.4. Reatores de mistura completa em série
5.4.5. Fluxo disperso
5.4.6. Mistura lateral
201
201
202
208
212
219
229
5.5.
AS EQUAÇÕES DA MISTURA EM LANÇAMENTOS
Monitoramento
PONTUAIS ... 232
CAPÍTULO 6
da qualidade da água de rios
Marcos von Sperling
6.1.
INTRODUÇÃO
237
6.2.
PROGRAMAÇÃO DE MONITORAMENTO
6.2.1. Planejamento da amostragem
6.2.2. Tipos de amostras
6.2.3. Pontos de ámostragem
6.2.4. Coleta e análise das amostras
6.2.5. Parâmetros a serem monitorados
239
239
241
246
247
249
6.3.
ÍNDICES DE QUALIDADE DA ÁGUA
6.3.1. Preliminares
6.3.2. Índice de qualidade da água (IQA)
6.3.3. Índice de toxicidade (IT)
6.3.4. Índice do estado tráfico (IET)
6.3.5. Índice de diversidade de espécies
252
252
253
259
261
263
6.4.
AV ALIAçÃO ESTATÍSTICA DE DADOS DE
MONITORAMENTO
6.4.1. Introdução
6.4.2 .. Métodos numéricos para a descrição de dados quantitativos
6.4.3. Métodos gráficos para a descrição de dados
270
270
271
277
PARTE B
MODELAGEM E CONTROLE DA QUALIDADE DA ÁGUA
CAPÍTULO 7
Poluição de rios por matéria orgânica e formas de controle
Marcos von Sperling
í
7.1.
INTRODUÇÃO
295
7.2.
ASPECTOS ECOLÓGICOS DA AUTODEPURAÇÃO
7.2.1. Aspectos gerais
7.2.2. Zonas de auto depuração
296
296
297
7.3.
O BALANÇO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO
7.3.1. Fatores interagentes no balanço de OD
7.3.2. Modelos de qualidade das águas
7.3.3. A curva do oxigênio dissolvido
302
302
307
309
7.4.
FORMAS DE CONTROLE DA POLUIÇÃO POR MATÉRIA
ORGÂNICA
7.4.1. Alternativas de controle
7.4.2. Processos de tratamento de esgotos para a remoção de DBO
309
309
312
CAPÍTULOS
Modelagem clássica do oxigênio dissolvido (modelo de Streeter-Phelps)
Marcos von Sperling
8.1.
INTRODUÇÃO
317
8.2.
CINÉTICA DA DESOXIGENAÇÃO
8.2.1. Formulação matemática
8.2.2. Coeficiente de desoxigenação KJ
8.2.3. Coeficiente de remoção de DBO efetiva no rio (Kj)
8.2.4. Resumo dos valores dos coeficientes de decomposição
daDBO
8.2.5. A influência da temperatura
318
318
321
325
CINÉTICA DA REAERAÇÃO
8.3.1. Formulação matemática
329
329
8.3.
327
328
8.3.2.
8.3.3.
O coeficiente de reaeração K2
A influência da temperatura
•••••••.•.••••••.••••.•.•.••.•.••••••.•.•.••.•.•.••••.•
8.4.
AS EQUAÇÕES DA MISTURA ESGOTO - RIO
8.5.
A CURVA DE DEPLEÇÃO DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO
SEGUNDO O MODELO DE STREETER-PHELPS
8.5.1. Cálculo do perfil de oxigênio dissolvido em função do tempo
8.5.2. Cálculo do tempo crítico
8.5.3. Cálculo do déficit crítico e da concentração crítica de oxigênio
8.5.4. Cálculo da eficiência requerida para o tratamento
8.6.
8.7.
8.8.
8.9.
:
345
OBTENÇÃO DOS DADOS DE ENTRADA PARA O MODELO
8.6.1. Dados necessários
8.6.2. Vazão de esgotos (Qe)
8.6.3. Oxigênio dissolvido no rio, a montante do lançamento (ODr)
8.6.4. Oxigênio dissolvido no esgoto (ODe)
8.6.5. DBOs no rio, a montante do lançamento (DBOr)
8.6.6. DBOs do esgoto (DBOe) ......•........................................................
8.6.7. Coeficiente de desoxigenação (K1) e de decomposição da
DBO (~)
8.6.8. Coeficiente de reaeração (K2)
8.6.9. Concentração de saturação de OD (Cs)
8.6.10. Oxigênio dissolvido mínimo permissível (ODmín) e
DBO máxima permissível (DBOmán)
APLICAÇÃO DO MODELO DE STREETER-PHELPS
LANÇAMENTO PONTUAL ÚNICO
PARA
APLICAÇÃO DO MODELO DE STREETER-PHELPS
CONTRIBUIÇÕES MÚLTIPLAS
PARA
VAZÃO E CARGAS INCREMENTAIS
E POLUIÇÃO DIFUSA
331
344
346
346
348
350
351
351
351
352
352
353
354
354
356
356
357
358
359
378
POR DRENAGEM DIRETA
8.10. MODELO DE OD EM CONDIÇÕES DE FLUXO DISPERSO
381
389
CAPÍTULO 9
Modelagem avançada do oxigênio dissolvido
Marcos von Sperling
9.1.
INTRODUÇÃO
397
9.2.
MODELAGEM DO OXIGÊNIO DISSOLVIDO EM CONDIÇÕES
DE ANAEROBIOSE
397
9.3.
SEDIMENTAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA
9.3.1. Conceitos gerais
9.3.2. Coeficiente de remoção global de DBO no rio (K)
9.3.3. Coeficiente de remoção de DBO por sedimentação (Ks)
9.3.4. Resumo dos valores dos coeficientes de remoção de DBO
9.3.5. Perfil de OD e DBO considerando a sedimentaçã0-r
408
408
409
411
411
412
9.4.
CONSUMO DE OXIGÊNIO PELA NITRIFICAÇÃO
9.4.1. Fenômenos interagentes
9.4.2. Modelagem simplificada do nitrogênio
9.4.3. Consumo de oxigênio na nitrificação
9.4.4. Coeficientes do modelo de nitrogênio
414
414
416
418
420
9.5.
CARGAS DIFUSAS INTERNAS (DEMANDA DO SEDIMENTO,
RESPIRAÇÃO, FOTOSSÍNTESE)
9.5.1. Preliminares
9.5.2. Demanda de oxigênio do sedimento
9.5.3. Fotossíntese e respiração
9.5.4. Carga difusa de DBO (sem vazão)
9.5.5. Análise da não consideração dos fenômenos da sedimentação,
demanda bentônica, fotossíntese e respiração
9.6.
MODELO COMPLETO DE DBO E OD NO CURSO D'ÁGUA
9.6.1. Equações do modelo completo de OD e DBO
9.6.2. Implementação computacional do modelo de OD e DBO
em planilha eletrônica
9.6.3. Exemplo de aplicação do modelo completo de OD e DBO
com integração numérica
421
421
421
426
428
430
431
431
435
437
CAPÍTULO 10
Modelagem do nitrogênio e fósforo
Marcos von Sperling
10.1. MODELAGEM DO NITROGÊNIO
10.1.1. Formas do nitrogênio
10.1.2. Conversão da matéria nitrogenada
10.1.3. Modelagem do nitrogênio em cursos d'água
,
455
.455
461
466
10.2. MODELAGEM DO FÓSFORO
10.2.1. Formas do fósforo
10.2.2. Implicações do fósforo no meio aquático
10.2.3. Fontes de fósforo
10.2.4. Relação NIP em curso d'água
10.2.5. Modelagem do fósforo em cursos d'água
10.3. CONTROLE DO NITROGÊNIO
:
E DO FÓSFORO
471
471
474
477
479
480
482
CAPÍTULO 11
Modelagem de coliformes
Marcos von Sperling
11.1. ORGANISMOS PATOGÊNICOS E INDICADORES DE
CONTAMINAÇÃO FECAL
493
11.1.1. Organismos patogênicos
493
11.1.2. Classificação ambiental das infecções relacionadas com a água .. 494
11.1.3. Organismos indicadores de contaminação fecal
.497
11.2. MODELAGEM DE COLIFORMES EM CURSOS D'ÁGUA
11.2.1. Preliminares'
11.2.2. Cinética do decaimento bacteriano
\
504
504
504
-
11.3. CONTROLE DA CONTTAMINAÇAO POR ORGANISMOS
PA TOGÊNICOS
11.3.1. Eficiência requerida na remoção de coliformes
11.3.2. Remoção de coliformes nos processos usuais de tratamento
de esgotos
11.3.3. Desinfecção dos esgotos
509
509
511
511
CAPÍTULO 12
Calibração de modelos e análise da incerteza
Marcos von Sperling
12.1. CALIBRAÇÃO DE MODELOS
12.1.1. 'Preliminares
12.1.2. Minimização de função de erro
12.1.3. Avaliação do ajuste do modelo
12.1.4. Calibração usando a ferramenta Solver do Excel...
523
523
525
526
536
12.2. VERIFICAÇÃO
DO MODELO (ANÁLISE DOS RESÍDUOS)
12.3. ANÁLISE DA INCERTEZA
12.3.1. Preliminares
12.3.2. Simulação Monte Carlo
:
12.4. ANÁLISE DE SENSIBILIDADE
12.4.1. Preliminares
12.4.2. Análise de sensibilidade informal
l
12.4.3. Análise de erros de primeira ordem
12.4.4. Análise de sensibilidade por simulação Monte Carlo
12.4.5. Utilização da Análise da Incerteza para calibração de modelos
542
543
543
545
557
557
557
559
560
565
CAPÍTULO 13
Modelo de qualidade da água de rios QUAL-UFMG
Marcos von Sperling
13.1. INTRODUÇÃO
567
13.2. UTILIZAÇÃO DO PROGRAMA QUAL-UFMG
569
13.3. RESULTADOS
574
REFERÊNCIAS
FORNECIDOS
PELO QUAL-UFMG
...•.•.•.•.•.•••..•••.•.•....•.••...••••..•..•..•..•..........•..•.•.•.•.•.•.•.•................•577