XXX CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL
26 al 30 de noviembre de 2006, Punta del Este - Uruguay
ASOCIACIÓN INTERAMERICANA
DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL - AIDIS
“AUTODEPURAÇÃO DE ESCOAMENTOS NATURAIS DE ÁGUA”
ESTUDO DE CASO: DE MODELAGEM MATEMÁTICA EM UM TRECHO
DO RIBEIRÃO PRETO, RIBEIRÃO PRETO-SP.
Rafael Baldini Teles (1)
Engenheiro Ambiental formado em 2005 pela Faculdades COC, Ribeirão
Preto-SP, Brasil. Cursando MBA em Gestão de Empresas e Negócios nas
Faculdades COC. Professor responsável pelos Laboratórios de
Engenharia Ambiental das Faculdades COC. Estágio, 2004-2005, no
Departamento de Águas e Energia Elétrica do Estado de São Paulo, Brasil.
Alexandre Silveira
Engenheiro Civil formado em 1996 pela Universidade Estadual Paulista,
UNESP, Bauru-SP, Brasil. Mestre e Doutor em Hidráulica e Saneamento
pela Universidade de São Paulo - USP. Professor Doutor da Universidade
Federal de Mato Grosso – UFMT, Cuiabá-MT, Brasil desde 2005.
Responsável pela área de Hidráulica e Recursos Hídricos do
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Pós – doutorando na
Escola de Engenharia de São Carlos (USP)
Endereço (1): Rua Antonino Pagano, 334 – Jardim Iguatemi – Ribeirao Preto – São Paulo,
CEP: 14091-500, Brasil – Tel:. (00+55+16+36245028) e-mail: [email protected]
RESUMO
Este trabalho apresenta uma simulação da capacidade de autodepuração em um trecho do
Ribeirão Preto, Ribeirão Preto-SP-Brasil, utilizando o modelo de Streeter-Phelps. A simulação
do modelo é comparada com os dados experimentais medidos em campo de oxigênio
dissolvido (OD) e da demanda bioquímica de oxigênio (DBO). Os resultados obtidos
apresentam o grau de poluição do corpo d´água, assim como qual seria o comprimento que o
corpo d´água deveria possuir para que apenas por processos naturais recuperasse os níveis
adequados de OD e DBO. O trabalho também sugere que o uso do modelo Streeter-Phelps
não seja adequado para simulações de qualidade de água em trechos urbanos de corpos
d´água, principalmente os mais poluídos.
PALAVRAS-CHAVE: autodepuração, escoamentos de águas, Streeter-Phelps.
INTRODUÇÃO
O crescimento populacional desacelerado, o desenvolvimento industrial e outras atividades
humanas exigem cada vez mais o uso da água. Esta crescente demanda por água, acarreta
a geração de resíduos líquidos que são muitas vezes lançados in natura nos corpos hídricos,
alterando assim suas características naturais. O lançamento de um efluente líquido em um
rio provoca um consumo de OD. São necessários teores mínimos de OD nos rios para a
existência da biodiversidade do corpo hídrico.
O presente trabalho tem como finalidade modelar o consumo de OD e remoção da DBO em
um trecho do Ribeirão Preto após lançamentos pontuais de efluentes, para determinação de
alterações físicas, químicas e biológicas do rio. Esse consumo de OD e remoção de DBO
pode ser caracterizado como sendo um fenômeno de autodepuração, que consiste em um
processo natural de recuperação de um curso d’água, após ocorrência de interferências
externas. Essa autodepuração é causada por microrganismos presentes no corpo hídrico
que, degradam a matéria orgânica lançada e conseqüentemente consomem o oxigênio
dissolvido presente no meio líquido. Após a total degradação da matéria, o curso d’água
tende a se recuperar naturalmente, voltando às suas condições anteriores conforme mostra a
Figura 1.
OBJETIVO
O objetivo geral deste trabalho foi determinar a capacidade de autodepuração em um trecho
de um curso d’água natural, utilizando o modelo de Streeter-Phelps.
Os objetivos específicos são:
Buscar em literaturas, valores para os parâmetros que servem como dados de entrada do
modelo de Streeter-Phelps. São dois os principais parâmetros a serem valorados: K1
[Coeficiente de Desoxigenação – Relacionado com a temperatura, dita a velocidade de
consumo e recuperação do Oxigênio Dissolvido]; e K2 (Coeficiente de Reaeração –
Relacionado às características do corpo d’água).
Realizar medidas de OD e de DBO para auxílio na determinação dos parâmetros
necessários.
Modelagem e simulação de cenários possíveis para a melhoria da qualidade de água do
trecho em questão.
ÁREA DE ESTUDO
O Ribeirão Preto abrange uma bacia hidrográfica de aproximadamente 346 km², tendo suas
primeiras nascentes situadas na cidade de Cravinhos-SP, a uma altitude aproximada de 840 metros.
Ao longo de seu curso principal, a bacia drena as áreas urbanas dos municípios de Cravinhos-SP e
Ribeirão Preto-SP, além do distrito de Bonfim Paulista-SP, e sua foz situa-se no rio Pardo, conforme
pode ser observado na Figura 2.
Figura 2 – Localização da micro-bacia do Ribeirão Preto – Área em Estudo
O estudo foi realizado em um trecho do rio Ribeirão Preto (Figura 3), em uma extensão de
aproximadamente 1000 metros e uma largura próxima aos 10 metros.
Figura 3 – Localização e características do trecho em estudo
METODOLOGIA
Modelagem Matemática – Modelo De Streeter-Phelps
O modelo visa analisar, teoricamente, como o consumo de oxigênio dissolvido, se comporta
ao longo do espaço e do tempo, após o lançamento de efluente. Para isso, é necessário se
conhecer alguns aspectos importantes para que se possa aplicar corretamente o modelo.
Alguns dos aspectos principais são:
Vazão do rio;
Vazão do lançamento de efluente;
DBO e OD do rio;
DBO do efluente;
Coeficiente de Desoxigenação (K1) e o Coeficiente de Reaeração (K2);
Características da bacia hidrográfica de estudo;
Temperatura (água).
Com posse dessas informações, o processo de cálculo do modelo se dá através da seguinte
equação, em função do tempo:
em que:
Ct= Concentração de oxigênio ao longo do tempo (mg/L);
Cs= Concentração de saturação de oxigênio (mg/L);
L0= DBO remanescente em t=0 (mg/L);
D0= Déficit de oxigênio inicial (mg/L).
Análise das Amostras
Foram realizadas seis amostras, sendo três do corpo hídrico e outras três de lançamentos
existentes, conforme já indicados os pontos na Figura 3. Durante a realização das coletas,
foram medidos, ainda em campo, temperaturas (rio, lançamento e ar) e pH (rio e lançamento)
e com as amostras devidamente armazenadas, foram realizadas análises laboratoriais para
determinação dos níveis de OD e DBO. Essas amostras foram encaminhadas e analisadas
junto ao laboratório da Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental, ligada à
Secretaria do Meio Ambiente do governo de São Paulo (CETESB).
RESULTADOS
Os principais resultados da análise das amostras, pode ser visto na tabela 01 a seguir, onde
os pontos de amostragem já estão indicados na Figura 3. Estes resultados são utilizados
como dados de entrada no modelo.
Tabela 01 – Amostragem
Ponto de
Concentração de OD da amostra
Amostragem
(mg/L)
1
1,5
2
0,0
3
0,0
4
0,0
5
0,9
6
1,5
Concentração de DBO da amostra
(mg/L)
8
123
141
152
11
20
A vazão do corpo hídrico e dos efluentes foi medida e os resultados obtidos podem ser vistos
na Figura 4, que representa um resumo dos resultados obtidos, ou seja, os dados de entrada
pra aplicação da equação 1.
Figura 4 – Esquema do resumo dos Dados de Entrada
Aplicação da Modelagem
Com o conhecimento dos dados de entrada necessários para aplicação do modelo, através
da equação 1, obteve-se os seguintes resultados, expressos pela tabela 02 e Figura 5 a
seguir:
Tabela 02 – Perfil de OD para diferente tempo (d) e distância (m)
Distância (metros) Tempo (dias) Concentração de OD – Ct (mg/L)
0
0,00000
1,500
250
0,01447
1,500
500
0,02894
1,500
720
0,04167
1,500
730
0,04225
1,451
750
0,04340
1,449
800
0,04630
1,446
820
0,04745
1,445
825
0,04774
1,388
850
0,04919
1,387
900
0,05208
1,384
950
0,05498
1,380
955
0,05527
1,318
980
0,05671
1,317
1000
0,05787
1,315
Figura 5 – Perfil de OD no curso d’água ao longo do trecho
CONSIDERAÇÕES
Para que o modelo de Streeter-Phelps seja representativo, é preciso que algumas
considerações sejam feitas.
Supostos lançamentos de esgoto existentes não encontrados visualmente
Não foram visualmente encontrados pontos de lançamento de esgoto nos primeiros 700
metros no trecho de estudo, mas é bem provável que esses lançamentos existam. Devido às
péssimas condições das margens do rio, com trechos desbarrancados ou cobertos de
vegetação, ficou impossível avaliar visualmente se há ou não lançamento nesses pontos.
Assim, foi considerado que no trecho de 0 a 700m não havia lançamentos de nenhum tipo de
efluente.
Coeficientes
Desoxigenação (K1) Para se ter um valor preciso do coeficiente de desoxigenação,
seria preciso obter-se o valor de forma experimental, ou seja, através de análises
laboratoriais. Não sendo possível obter um valor experimental, foi adotado o valor (0,42d-1)
presente em literatura (Von Sperling, 1996). Deste modo pode existir diferença entre o valor
real (medido) e o valor adotado par o trecho em estudo.
Reaeração (K2) O coeficiente de reaeração é de extrema importância para a
adequada simulação do modelo. Porém, não existe um valor universal a ser utilizado para K2,
e sua determinação para que o modelo simule a situação real, é uma da tarefa objeto de
trabalho de diversos pesquisadores. A literatura apresenta diversos valores para o coeficiente
de acordo com as características hidráulicas do escoamento. Mesmo em escoamentos com
características semelhantes, é possível se obter valores (0,37 – 6,94d-1) bem diferentes para
K2, fazendo com que a aplicação do modelo apresente bastante diferença no resultado final
de acordo com o valor adotado.
SIMULAÇÕES
Como o intervalo possível para o valor a ser adotado para o coeficiente K2 é bastante amplo,
foram feitas simulações com diferentes valores para o coeficiente de reaeração.
Valores máximos: (6,94d-1)
Adotando o valor máximo para K2 em todos os trechos, obtêm-se um grau de recuperação do
nível de OD bastante elevado ao longo do curso d’água, com picos de recuperação ainda
mais elevados nos pontos de mistura e de amostragem, conforme apresentado na Figura 6.
Figura 6 – Perfil de OD com valores máximos para K2
Valores intermediários (3,5 d-1)
Considerando e adotando um valor intermediário para K2 em todos os trechos, observa-se
que o modelo apresenta um grau de recuperação considerável, com picos significativos nos
pontos de mistura após lançamento de efluentes e nos pontos onde houve análise da
qualidade do rio. Assim sendo, obtêm-se o perfil de OD representado pela Figura 7 a seguir:
Figura 7 - Perfil de OD com valores intermediários para K2
Valores adotadas
Considerando valores para K2 de 0,1d-1 em todos os diferentes trechos, nota-se que o perfil
de OD apresentado (Figura 8) é o que mais representa a realidade, comparando com os
dados experimentais.
Porém, esse valor adotado não se encontra dentro da faixa limite estabelecida por valores
tabelados presentes em literatura, de acordo com as características do curso d’água. Assim,
nota-se a importância de se obter experimentalmente os valores para os coeficientes a serem
utilizados pelo modelo.
Figura 8 - Perfil de OD que mais se assemelha com a realidade amostrada
Distância de recuperação aos níveis mínimos exigidos
Considerando a simulação representada pela Figura 8, a que mais representou os valores
amostrados, adota-se K2 como sendo igual a 0,1d-1.
Considerando esse valor para o coeficiente de reaeração (K2) e que, após o 3° lançamento
não haja presença de mais nenhum lançamento de efluentes a jusante, o curso d’água
apresentará uma queda em seus níveis de Oxigênio Dissolvido até atingir um nível nulo (OD
= 0,0mg/l), 7,5km após o último lançamento, mantendo esse valor nulo até a distância de
132,5km, onde começa novamente a se recuperar e somente no 187,5km é que o corpo
d´água irá atingir o nível mínimo desejado de OD que é de 2mg/L, segundo Resolução
CONAMA 357/05.
Porém, a extensão do Ribeirão Preto, do trecho em estudo até o rio Pardo, sua foz, é de
aproximadamente 13 Km, ou seja, quando o Ribeirão Preto desaguar no rio Pardo, de acordo
com o modelo e suas considerações, seu teor de OD apresentará níveis iguais a zero,
conforme mostra a figura 9 a seguir:
Figura 9 – Distância de recuperação dos níveis de OD ao longo do curso d’água
CONCLUSÃO
Com a realização de um levantamento prévio de possíveis áreas do Ribeirão Preto a se
aplicar o modelo, foi possível escolher um trecho de fácil acesso, com presença de pontos
estratégicos para determinação de parâmetros necessários como velocidade, seção
transversal do Ribeirão Preto e conseqüente vazão do rio, além de ser um trecho que
apresenta lançamento de efluentes, fato fundamental para aplicação do modelo. Porém suas
condições ao longo de seu curso, principalmente em suas margens, não permitiam uma
maior aproximação além de, em alguns pontos, não possibilitar nem uma análise visual de
suas reais características, como por exemplo, presença de lançamentos de esgoto, devido às
péssimas condições encontradas nas margens como presença de erosão.
Sendo assim, algumas incertezas surgiram durante a realização do trabalho e principalmente
durante a geração e análise dos resultados obtidos através do modelo. De acordo com
alguns resultados do modelo e suas simulações, pode-se notar que o modelo gerou um tipo
de cenário que não condiz com a situação real estudada, de que existem outros lançamentos
não considerados, mas que em um primeiro instante não era passível de uma determinação.
Essa confirmação só foi possível depois que houve uma limpeza nas margens do rio, por
iniciativa da prefeitura, tornando visível alguns pontos de lançamento de efluentes
anteriormente não visualizados e conseqüentemente não mensurados, esclarecendo assim
algumas incertezas apresentadas e possivelmente explicando o porquê de alguns problemas
que o modelo apresentou em seus resultados, tendo assim que ser desconsiderados e
substituídos por suposições.
O modelo de Streeter-Phelps é um modelo simples, uma vez que para sua determinação,
são considerados apenas, como valores de entrada, os parâmetros de OD e de DBO, além
do fato de considerar o sistema como mistura completa. Porém, para que o modelo
apresente resultados satisfatórios, é necessário que o curso d’água se encontre em boas
condições antes do lançamento, para que possa haver após o despejo, o processo de
autodepuração e o conseqüente consumo de OD e uma posterior recuperação dos níveis de
oxigênio. No caso do trecho analisado, o rio já se apresentava com condições deploráveis,
fazendo que o lançamento não exercesse uma grande interferência negativa. O Ribeirão
Preto apresenta, desde seu trecho de análise a montante, uma concentração muito baixa de
Oxigênio Dissolvido. Pode-se notar que, mesmo após os 3 lançamentos mensurados, o
modelo ainda continua apresentado uma taxa de declínio quanto ao seu nível de OD ao
longo do curso d’água, isso considerando o modelo da Figura 8 que foi o que mais se
assemelhou com os pontos analisados. Essa continuidade de consumo de oxigênio após os
lançamentos é conseqüência da elevada carga orgânica que o rio chega até atingir o trecho
de estudo. Sendo assim, as entradas pontuais de efluentes a jusante não são os maiores
vilões de degradação do oxigênio dissolvido do rio, eles irão apenas retardar um pouco mais
a recuperação desse perfil de OD. Portanto, não cabe propor somente ao trecho de análise,
um tratamento dos efluentes, tendo em vista que somente isso não seria o suficiente para
minimizar os impactos. O ideal é que fossem localizados todas as fontes poluidoras
existentes a montante do trecho de estudo e fossem propostas alternativas de tratamento de
todos os efluentes lançados junto à bacia do Ribeirão Preto.
Outro ponto importante para que o modelo simule de forma satisfatória e coerente, de acordo
com as condições reais do ponto de estudo, é com relação aos coeficientes
adotados/medidos. Uma devida determinação para os coeficientes, principalmente para o
coeficiente de reaeração, é de extrema importância para que o modelo seja utilizado com
êxito. O coeficiente de reaeração (K2) é fator primordial no modelo e interfere no grau de
recuperação (ou não) que o curso d’água irá apresentar com relação aos níveis de OD.
Utilizando diferentes valores, a partir de bibliografias existentes para adoção desse
coeficiente, os valores passíveis de serem utilizados, de acordo com as referências
consultadas, situam-se numa faixa bastante ampla, onde o modelo irá apresentar resultados
diferentes de acordo com o valor do coeficiente adotado. Assim sendo, a forma mais
coerente de se utilizar um valor para K2, é através da obtenção experimental de seu valor.
Outro fator que deve ser comentado é quanto aos enquadramentos dos corpos d’água.
Através do trabalho, pode-se notar que, nem mesmo o fato de o Ribeirão Preto ser
enquadrado como um rio de Classe 4, o faz atender os limites mínimos necessários exigidos
por lei, segundo Resolução CONAMA 357/05, que limita o OD mínimo de 2,0mg/l.
AGRADECIMENTO
Este trabalho foi realizado com o apoio das Faculdades COC, Ribeirão Preto-SP.
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