SIMULAÇÃO DA QUALIDADE DE ÁGUA DO RIO CADEIA COM
APLICAÇÃO DE MODELO MATEMÁTICO PARA
DETERMINAÇÃO DO APORTE DE POLUENTES EM CURSOS
D’ÁGUA PROVENIENTES DE DRENAGEM DE ÁREAS RURAIS
Mauro Kruter Kotlhar(1)
Engenheiro Civil. Mestrando em Saneamento Ambiental no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Sérgio João de Luca, Ph D
Professor Titular, IPH, UFRGS.
Endereço(1): Rua São Luis, 890 - apto. 403 - Bairro Santana - Porto
Alegre - RS - CEP: 90620-170 Brasil - Tel: (051) 217-4995.
RESUMO
O emprego de modelos matemáticos que representam os fenômenos naturais bem como as atividades antrópicas tem se constituído em valiosa ferramenta de apoio à decisão no âmbito do gerenciamento ambiental. A partir do diagnóstico obtido em trabalho anterior na Bacia do Rio Caí/RS, indicando as atividades rurais como uma das principais fontes de poluição hídrica, buscou-se a aplicação do modelo matemático SWRRBWQ - Simulator for Water Resources in Rural Basins - Water Quality de forma a quantificar o aporte de cargas poluidoras não pontuais rurais - agrotóxicos, fertilizantes, bem como sedimentos oriundos da erosão do solo - e verificar a sua contribuição na qualidade da água do corpo receptor, esta simulada com a aplicação do modelo QUAL2E. O estudo foi aplicado em uma sub-bacia do Rio Caí, o Rio Cadeia, de significativa importância regional. Na área de drenagem correspondente, foram levantadas todas as atividades geradoras de poluição hídrica de forma a aplpicar o modelo de qualidade da água - QUAL2E; da mesma forma, foram levantadas as culturas agrícolas e práticas usuais de manejo do solo e de pragas. Para verificação dos modelos, foram realizadas campanhas de amostragem de qualidade das águas em 7 pontos nos recursos hídricos da sub-bacia. A partir da estruturação dos modelos com os dados levantados, foi possível a simulação de cenários representando diferentes situações dentro da área estudada, de forma a gerenciar a qualidade dos recursos hídricos.
PALAVRAS -CHAVE: Recursos Hídricos, Modelos Matemáticos, SWRRBWQ, Poluição
Hídrica, Rio Cadeia/RS.
INTRODUÇÃO
O emprego de sistemas de apoio à decisão fundamentados na modelagem matemática de bacias hidrográficas tem se mostrado uma valiosa ferramenta de gerenciamento ambiental, permitindo que, a partir da caracterização geográfica e levantamento de atividades existentes na área de drenagem, possamos simular cenários que caracterizem as situações de particular interesse.
Em áreas de intensa atividade rural, no que se enquadra a maior parte do Estado do Rio Grande do Sul, assume particular importância os aportes nos recursos hídricos decorrentes do manejo do solo e aplicação de produtos tais como fertilizantes e agrotóxicos, estes portadores de elevado potencial poluidor.
O objetivo do trabalho foi a verificação da qualidade de um curso d'água em função das atividades poluidoras e modificadoras do ambiente existente em sua área de drenagem. Para a determinação dos aportes aor recursos hídricos geradas pelas atividades rurais foi empregado o modelo SWRRBWQ - Simulator for Water Resources in Rural Basins - Water Quality, desenvolvido para simular o transporte de sedimentos, nutrientes e pesticidas em bacias rurais grandes e complexas; para a simulação da qualidade da água no curso d'água foi empregado o modelo QUAL2E.
A área escolhida para o estudo foi a subbacia do Rio Cadeia, pertencente à Bacia Hidrográfica do Rio Caí, um dos formadores da Bacia do Rio Guaíba, às margens do qual situa-se Porto Alegre, capital do estado do Rio Grande do Sul, definindo a sua particular importância. O Rio Cadeia é o principal afluente do Rio Caí, drenando cerca de 19% da área da bacia, nos quais encontram-se vários municípios importantes, destacando-se Nova Petrópolis (parcial), Gramado (parcial), Dois Irmãos, Morro Reuter, Ivoti e Portão, estimando-se que contribua com 27,2% da carga poluidora decorrente de drenagem urbana (Diagnóstico da Contaminação dos Recursos Hídricos na Bcia do Rio Caí (Ségio João de Luca et all, 1996).
O trabalho referido identificou as atividades rurais como uma das principais fontes potenciais de poluição em sua área de drenagem; na sub-bacia do Rio Cadeia, as principais culturas são o milho (9.700 ha), laranja (7.800ha), mandioca (4200 ha), e batata inglesa (3.700 ha), estimando-se preliminarmente em 70.000 litros o volume de agrotóxicos lançado no ambiente por ano, valores que podem ser substancialmente maiores a partir de uma maior conhecimento das práticas locais, a serem conhecidas no decorrer do trabalho. Estas conclusões despertaram o interesse na caracterização detalhada das cargas geradas pelas atividades rurais, determinado o emprego do modelo SWRRBWQ.
METODOLOGIA
Para a aplicação do modelo SWRRBWQ, a subbacia do Rio Cadeia foi subdividida em 22 subbacias, cujas cargas de contribuição foram distribuidas em 25 pontos de lançamento ao longo do Rio Cadeia (representando os seus principais afluentes).
Para a aplicação do modelo de qualidade QUAL2E o Rio Cadeia foi subdividido em 8 trechos. Foram instalados 7 pontos de amostragem para a análise da qualidade das águas e medição de vazão.
Os dados levantados para a realização do estudo foram:
- a caracterização geomorfológica, a partir das cartas de levantamento aerofotogramétrico do Exército escala 1:50.000 e os dados contidos em AGRAR, 1971;
- a identificação das atividades existentes e de ocupação em cada sub-bacia, obtidas a partir do Resumo Estatístico Municipal (FEE), do cadastro de atividades poluidoras da Divisão de Controle de Atividades Poluidoras/FEPAM e de informações prestadas pelas Prefeituras Municipais, destacando-se área urbanizada, esgotos sanitários e resíduos sólidos urbanos; - dados relativos ao manejo das culturas da região, obtidos junto à Secretaria de agricultura
do Rio Grande do Sul e
- dados de qualidade de água e de vazão dos cursos de água através de monitoramento em 7 pontos da bacia do Rio Cadeia.
No decorrer do trabalho, foram verificados junto às Prefeituras Municipais e em vistoria na área de estudo os dados mais significativos relativos a fontes poluidoras bem como os usos das águas.
As fontes de poluição avaliadas foram a população urbana, população rural, drenagem pluvial urbana e rural, atividades de criação de animais de pequeno e grande porte, resíduos sólidos urbanos, efluentes industriais tratados e agrotóxicos.
A partir do levantamento das atividades existentes na área de drenagem, foram identificados os curtumes, aviários, pocilgas, culturas agrícolas e a ocupação urbana como principais fontes potenciais de poluição, as quais condicionaram os parâmetros analisados nas amostras coletadas, quais sejam, DBO5, DQO, NTK,OD, Fosfatos, Nitratos, Nitritos, Sulfetos,
Coliformes Fecais, Turbidez, Sólidos Totais, 2,4-D, Cloretos e Cromo.
Para a determinação das cargas poluidoras geradas pelas atividades e usos do solo existentes na bacia de drenagem foram empregados: a) coeficientes que transformam o volume de efluentes em concentrações correspondentes a cada um dos parâmetros a serem simulados através do modelo, para cargas poluidoras pontuais (esgotos urbanos, depósitos de resíduos sólidos e efluentes industriais) obtidos a partir de estudos desenvolvidos por De Luca & Ide, 1991 (nos quadros a seguir apresentamos exemplos destes coeficientes para cargas poluidoras geradas por drenagem urbana e por resíduos sólidos urbanos); b) dados de saída do modelo matemático SWRRBWQ, para as cargas não pontuais.
Coeficientes de Cargas Poluidoras Potenciais da Drenagem Pluvial Urbana (ton/ha.ano); NP= não pertinente Parâmetro Coeficiente Oxigênio Dissolvido NP Coliformes Fecais 1,5 x 109 pH 7,2 DBO 0,254 Nitrogênio Total 0,0243 Fósforo Total 0,003 Turbidez 859 Sólidos Totais 0,1295
Coeficientes de Cargas Poluidoras Potenciais da Disposição de Resíduos Sólidos Domésticos (ton/cap.ano). NP= não pertinente
Parâmetro Coeficiente Oxigênio Dissolvido NP Coliformes Fecais 8,4 x 108 pH NP DBO 0,018615 Nitrogênio Total 0,001095 Fósforo Total 0,000365 Turbidez NP Sólidos Totais NP
Os pontos de amostragem foram locados de forma a individualizar os aportes mais representativos da bacia; abaio a caracterização dos mesmos:
CF1 - no Rio Cadeia, próximo à foz
CF2 - no Rio Cadeia, próximo e antes da foz do Arroio Feitoria, após receber as cargas provenientes de áreas urbanas de Nova Petrópolis, Pic ada Café, São José do Hortêncio e Linha Nova
CF3 - no Rio Cadeia, próximo à Joaneta, representando o curso superior do Rio Cadeia, já com a contribuição do Arroio Tapera, em áreas ainda de baixa densidade populacional
CF4 - junto à nascente do Arroio Tapera, adotado como ponto “branco” (à montante de qualquer contribuição)
CF5 - no Rio Cadeia, junto à Barragem do Herval, representando a área de nascente do Rio Cadeia, drenando zona tipicamente rural
CF6 - no Arroio Feitoria, junto à foz, já tendo recebido a contribuição de efluentes de Ivoti CF7 - no Arroio Feitoria, em Balneário próximo à BR 116, recebendo a contribuição de efluentes de Dois Irmãos, Morro Reuter e da área de nascente
Foram ainda comparados os dados coletados com os dados existentes em trabalhos executados pela FEPAM, da CORSAN e da Metroplam, além dos estudos em andamento em tese de mestrado na área.
Para determinação da atenuação existente desde a geração dos efluentes das diversas fontes poluidoras até a entrada das cargas nos cursos d'água foram comparados os valores apresentados pelas análises de qualidade da água com os valores potencialmente lançados nestes pontos em função das atividades existentes na bacia de contribuição a montante, calculados em função dos dados de fontes levantados e da aplicação do modelo SWRRBWQ.
RESULTADOS OBTIDOS
Após a última campanha de coleta nos pontos de monitoramento de vazão e qualidade da água realizada em Maio/97, os modelos foram calibrados comparando-se as concentrações esperadas em função das cargas potenciais geradas na bacia com aquelas verificadas nas análises laboratoriais.
O Quadro 1 apresenta inicialmente um resumo dos dados regionais que dão um oanorama geo-econômico da área objeto do estudo.
A Figura 1 apresenta o Diagrama Unifilar empregado para a aplicação dos modelos. As letras de A a V representam as 22 subbacias que compõem a área estudada, e os valores percentuais as parcelas de cargas distribuidas nos diversos pontos de lançamento.
O Quadro 2 apresenta os valores das cargas lançadas nos pontos indicados no Diagrama Unifilara, dados de entrada para o Modelo QUAL2E.
O Quadro 3 apresenta as vazões de simulação utilizadas nos modelos.
A vazão média de longo prazo (Qlp) reflete as médias históricas de vazão nas várias sub-bacias, descontadas as retiradas de água e acrescidos os suprimentos de outras bacias ou de água subterrânea.
A vazão 7Q10 foi produzida a partir da análise hidrológica das sub-bacias, descontadas também as retiradas e acrescentados os suprimentos de outras bacias e de água subterrânea.
O Quadro 4 apresenta as massas dos principais contaminantes da Bacia do Rio Caí. As seções CF1 a CF7 situam-se na área estudada, mostrando que, em termos médios, a carga de DBO em CF1 (exutório da sub-bacia do Rio Cadeia) representa cerca de 45% da carga total que chega à foz da bacia. Em termos de Nitrogênio, a bacia do Rio Cadeia produz 50% a mais da carga que chega à foz. Evidentemente, este excesso de NTK é oxidado no corpo d'água principal. A saturação de OD na foz do Rio Cadeia é 50% da esperada em função das cargas poluentes. Constata-se também altas cargas de Cromo associadas ao ponto CF6, localizada em região de curtumes.
Comparativamente ainda com a bacia do Rio Caí como um todo, esta sub-bacia é bem menos contaminada Qua a bacia do corpo d'água principal em termos de coliformes fecais. No entanto, gera uma carga de turbidez equivalente ao do corpo principal, deteriorando a qualidade da água para tratamento e uso doméstico.
Os sólidos totais, que englobam sais dissolvidos, representam 50% da carga de toda a bacia, refletindo o aporte de cargas industriais, cargas erosivas (sólidos dissolvidos e em suspensão de origem agrícola) e lixivias agropecuárias e populacionais.
A massa de herbicidas utilizada é bastante alta, apesar das concentrações serem baixas. No entanto, em dois pontos do corpo d'água principal, a concentração observada de 9mg/l de 2,4-D coloca o rio em Classe 3. O maior aporte ocorre em CF2, com uma carga anual de 2,02 toneladas de 2,4-D.
Resultados gráficos da simulação serão apresentados no Congresso.
CONCLUSÃO
Este trabalho testou uma ferramenta de extrema utilidade para diagnóstico de poluição proveniente de áreas rurais, particularmente quanto à decorrente de aplicação de agrotóxicos, de forma que, a partir da calibragem dos modelos matemáticos utilizados, possa ser utilizado em qualquer outra região.
Complementarmente, como requisito básico para a aplicação deste modelo, constitui-se amplo banco de dados físicos e geo-econômicos da região estudada, permitindo a realização de diferentes simulações e diagnósticos, ou seja, um sistema de apoio à decisão.
Sob esta ótica, e viabilizado pela escala de trabalho empregada, a qual permite o detalhamento de ações dentro da área estudada, foram simulados empreendimentos destinados ao controle da poluição por fontes difusas rurais e verificada a sua repercussão na qualidade das águas do Rio Cadeia.
Como decorrência do escopo principal e em função da metodologia adotada (o modelo SWRRBWQ determina a necessidade de detalhada caracterização física das áreas bem como das atividades rurais nela existentes), o trabalho constituiu-se em um amplo banco de dados dos empreendimentos e atividades em geral existentes na área de drenagem da bacia hidrográfica e que contribuem com a poluição hídrica, além de apresentar um diagnóstico da situação atual da qualidade das águas do Rio Cadeia.
BIBLIOGRAFIA
1. AGRAR/SOD/RS, 1971. Rio Caí, Planejamento Hidrológico e Desenvolvimento Regional, Volumes II e V
3. Sérgio J. de Luca, Stephan Prates, Mauro Kruter Kotlhar, Adriene Sampaio, Marlize Cantelli e Carla Santana,1996. “Diagnóstico da Contaminação dos Recursos Hídricos na Bacia do Rio Caí”.
4. De Luca, S. J. e Ide, C. N., 1991. “Rain and Stormwater Quality”, Proc. VX Bien. Int. Conf. IAWPRC”, Kyoto, Japão.
5. FEPAM/RS, 1997. Classificação e Localização de Efluentes Industriais. Divisão de Controle de atividades Poluidoras.
Figura 1 - Diagrama Unifilar com Indicação das Contribuições Proporcionais das Áreas de Drenagem N 30%Q 40%B 60%B 50%S 30%S 20%S T 50%U 50%U V 50%C 35%O 30%O 50%C 50%C R 30%Q 40%Q 60%F 5%F 20%D 20%D 60%D 40%I 35%G 35%G 30%G 60%L 25%M 15%M 10%M
25%I 25%I 10%I
H 50%J 50%J 40%L 35%F K 50%M P 35%O A 50%C
Quadro 1. Resumo De Dados Municipais De Censo E Geográficos.
MUNICÍPIO Área Pop Urb. Pop Rur. Área Urb. Área Rural
Vazão Industrial (m3/dia)
(km2) (hab.) (hab.) (km2) (km2) ALIM BEA CPS Q/PET Dois Irmãos 73,00 15.165 747 7,00 66,00 3 10 155 Gramado 44,27 705 44,27 60 6 Ivoti 65,10 9.201 4.741 8,00 57,10 160 1.881 Lindolfo Collor 31,80 1.822 1.624 20,00 11,80 800 Linha Nova 37,10 890 376 11,00 26,10 Morro Reuter 83,70 4.623 290 5,00 78,70 42 N.Petrópolis 120,00 1.540 2.170 3,00 117,00 120 353 Picada Café 83,40 2.247 2.003 31,00 52,40 703 Portão 26,56 18.727 295 26,56 Pres.Lucena 49,50 1.178 1.082 16,00 33,50 S. Maria Herval 127,30 1.478 4.202 20,00 107,30 15 S. J. Hortêncio 55,50 1.346 1.734 19,00 36,50 150 1 S. S. do Caí 107,00 2.198 107,00 Sapiranga 44,27 2.305 44,27
Ramos Industriais: - ALIM: alimentícias
- BEA: Bebidas e álcool - CPS: couro, peles e similares - Q/PET: química e petroquímica
Quadro 1. Continuação.
MUNICÍPIO produção agrícola área (ha) Animais (cap/ano) milho mandioca batata laranja peq. porte gde porte
Dois Irmãos 300 300 30 57.300 3.000 Gramado 200 70 25.603 2.158 Ivoti 150 100 0 506.100 1.700 Lindolfo Collor 150 150 20 90 15.160 990 Linha Nova 300 50 15 15 149.151 3.518 Morro Reuter 1000 150 570 520.150 3.400 Nova Petrópolis 1300 0 100 386.681 10.996 Picada Café 4500 2200 720 6160 1.720.000 18.100 Portão 90 20 40 9.394 1.277 Presidente Lucena 300 250 70 50 387.200 1.800 S. Maria Herval 1000 150 2100 192.550 6.100 S. .J. Hortêncio 300 500 250 23.900 3.681 S. S. do Caí 200 600 49.518 3.016 Sapiranga 110 35
Quadro 2: Dados de cargas geradas na bacia para entrada no modelo QUAL2E.
Tre- Aportes DBO N-ORG NH3-N NO2-N NO3-N ORG-P DISP-P
cho de carga mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 1 50 J+40 L 16,32021 0,0019 0,000458 7,04E -05 0,001091 0,002409 0,00562 50 J+60 L 16,87898 0,001894 0,000456 7,01E -05 0,001087 0,002396 0,005591 2 25 I 15,71929 0,001907 0,000459 7,06E -05 0,001095 0,002474 0,005773 30 G+25 I 13,07984 0,001952 0,00047 7,23E -05 0,001121 0,002495 0,005822 35 G+10 I 11,75986 0,001982 0,000477 7,34E -05 0,001138 0,002508 0,005853 30 G+25 I 13,07984 0,001952 0,00047 7,23E -05 0,001121 0,002495 0,005822 40 I 15,71929 0,001907 0,000459 7,06E -05 0,001095 0,002474 0,005773 3 25 M 39,24407 0,001774 0,000427 6,57E -05 0,001019 0,002406 0,005613 35 F 22,25115 0,001841 0,000443 6,82E -05 0,001057 0,00243 0,00567 60 F+15 M 25,76905 0,00182 0,000438 6,74E -05 0,001045 0,002423 0,005653 5F+E+10M 25,85731 0,001811 0,000436 6,71E -05 0,00104 0,002339 0,005458 30 D+50 M 33,81486 0,001787 0,00043 6,62E -05 0,001026 0,002402 0,005605 20 D 21,43268 0,001842 0,000443 6,82E -05 0,001057 0,002389 0,005573 60 D 21,43268 0,001842 0,000443 6,82E -05 0,001057 0,002389 0,005573 4 N 22,85207 0,001838 0,000442 6,81E -05 0,001055 0,002439 0,005692 35 O 16,45016 0,001897 0,000457 7,03E -05 0,001089 0,002471 0,005766 30 O+50 C 14,63852 0,00208 0,000501 7,71E -05 0,001194 0,002102 0,004905 50 C 14,82296 0,00214 0,000515 7,93E -05 0,001229 0,001996 0,004657 35 O 16,45016 0,001897 0,000457 7,03E -05 0,001089 0,002471 0,005766 5 30 Q+50 S 30,97953 0,001859 0,000448 6,89E -05 0,001067 0,002277 0,005313 40 Q+30 S 29,31301 0,001873 0,000451 6,94E -05 0,001075 0,002316 0,005404 30 Q+20 S 29,03498 0,001875 0,000451 6,94E -05 0,001076 0,002323 0,00542 6 P + T 24,46701 0,001914 0,000461 7,09E -05 0,001099 0,002391 0,005578 7 50 U 2,804456 0,002148 0,000517 7,96E -05 0,001233 0,002583 0,006026 60 B 2,86763 0,002138 0,000515 7,92E -05 0,001227 0,002578 0,006015 40 B+50 U 2,835297 0,002143 0,000516 7,94E -05 0,00123 0,00258 0,006021 8 A + V 2,605299 0,002184 0,000526 8,09E -05 0,001254 0,002593 0,00605
Quadro 3: Vazões simuladas para a bacia do Rio Cadeia. SUB-BACIA 7Q10 (m3/s) Qlp (m3/s) A 0,010 0,11 B 0,063 0,72 C 0,077 1,24 D 0,059 1,01 E 0,097 1,80 F 0,084 1,33 G 0,086 1,35 H 0,025 0,40 I 0,106 1,67 J 0,034 0,53 K 0,193 3,02 L 0,048 0,77 M 0,088 1,39 N 0,057 1,13 O 0,038 0,61 P 0,069 1,09 Q 0,041 0,65 R 0,028 3,78 S 0,066 1,21 T 0,027 0,43 U 0,053 0,60 V 0,043 0,49
Quadro 4: Cargas (ton/ano), calculadas a partir de dados reais coletados na bacia.
Ponto DBO5 DQO NTK OD Fosfato Colif. Turbidez STotal 2,4-D Cr
CA001 3432,81 49775 2454 9611 559 1,54E+17 288355 454847 6,88 0,022 CA10.3 1588,96 31779 1652 9057 368 8,58E+16 282834 347942 6,37 0,010 CA13.3 1458,14 30830 1512 8955 312 3,78E+16 208475 322990 5,88 0,015 CA24.1 1650,79 46222 1782 9904 419 2,75E+17 249269 277332 14,86 0,020 CA050 4585,17 67249 3698 10698 860 2,75E+17 466159 764195 6,17 0,025 CF1 1653,09 23283 3292 5737 157 2,42E+16 287714 274410 3,33 0,015 CF2 1513,25 17150 1750 2976 121 2,97E+16 135183 149811 2,02 0,010 CF3 467,51 5142 348 2173 37 8,24E+15 11220 23482 0,94 0,015 CF4 25,24 164 24 105 7 5,49E+15 176 605 0,051 0,010 CF5 170,35 1107 168 792 8 4,46E+15 2299 4940 0,34 0,010 CF6 700,32 5135 693 490 112 2,97E+16 45987 51823 0,94 0,026 CF7 266,25 2396 263 1091 77 1,79E+16 8120 22098 0,53 0,025 CA075 2090,85 45998 1892 7317 380 2,75E+17 183994 305264 4,2 0,016 CA136 2081,07 24279 1047 4855 110 8,58E+16 111684 335052 2,78 0,022 CA166 908,52 8630 899 3588 59 9,27E+15 14082 30435 1,82 0,026 CA210 393,06 9040 286 2830 14 5,15E+16 13364 26335 3,52 0,083
