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SIMULAÇÃO HIDROLÓGICA E DE QUALIDADE DE ÁGUAS DE BACIAS CONTRIBUINTES DA BAÍA DE GUANABARA

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Academic year: 2021

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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

SIMULAÇÃO HIDROLÓGICA E DE QUALIDADE DE ÁGUAS DE BACIAS

CONTRIBUINTES DA BAÍA DE GUANABARA

Felipe Fraguas de Castro

felfrag@gmail.com

Resumo

Este trabalho teve por objetivo realizar uma simulação hidrológica e de qualidade de águas no Rio Macacu, Itaboraí, Rio de Janeiro. Esse trabalho visa modelar o transporte de materiais derramados no COMPERJ até a Baía de Guanabara.

Foram utilizados os softwares HEC-RAS e QGIS, e a modelagem feita considerando aproximações para a geometria das seções transversais usados como base para a interpolação. Os dados geográficos são originários de imagens de satélite do Google e os dados hidráulicos, da ANA e Projeto Macacu da UFF. A dificuldade de entrada de dados no modelo geométrico foi um dos principais obstáculos da metodologia.

A simulação hidrológica mostra que o modelo comportou, em grande parte, a vazão média mensal de 12,06 m3/s, mas não a média das vazões máximas mensais de 47,47 m3/s. A geometria adotada e os afluentes não considerados são a principal causa de erro.

Os resultados da simulação de qualidade de água estimam que o material demoraria em torno de 19 horas para atingir a foz do rio e que a massa injetada não afetaria o tempo de transporte, apenas a concentração ao longo da pluma. Mesmo desconsiderando uma barragem, o reservatório concentrou a pluma e retardou seu deslocamento em 1h30.

Palavras-Chave – Qualidade de Águas. Simulação.

HIDROLOGY AND WATER QUALITY SIMULATION ON GUANABARA

BAY TRIBUTARIES

This paper aims to conduct a hydrological and water quality simulation in Macacu River, Rio de Janeiro, Brazil. Its goal is to model the transport of a refinery spill to Guanabara Bay.

The model was run on HEC-RAS, with approximations for the geometry supported by QGIS. Google Satellite and was used as source for geographic data, while ANA and the Macacu UFF Project were sources of hydrological data. The complexity of geometric data entry was an obstacle of the methodology.

The hydrological simulation shows that the model worked reasonably for the average

monthly flow of 12.06 m3/s, but not for the average maximum monthly flow of 47.47 m3/s. The

geometrical approximations and the disregarded tributaries are the main causes of error.

The water quality simulation results estimate that the material would take around 19 hours to reach the mouth of the river and that the injected mass did not affect transportation time, only concentration. Though a dam was not represented, its reservoir concentrated the plume and delayed it in 1½ hours.

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Keywords – Water quality. Simulation.

INTRODUÇÃO

Em linha com a necessidade de proteger e planejar o uso dos recursos hídricos, esse trabalho se propôs a apresentar uma forma de simular um acidente ambiental. O Complexo Petroquímico do Estado do Rio de Janeiro (COMPERJ), empreendimento da Petrobrás, traz riscos de contaminação em um vazamento para a Baía de Guanabara. Nesse intuito, procurou-se simular como se dá o escoamento e o transporte de poluentes entre o COMPERJ e a Baía de Guanabara no rio Macacu, trecho esse que passa pela Barragem do Imunana, usada para o abastecimento da região leste da Baía.

Esse estudo adotou o HEC-RAS para simular o transporte de poluentes em um rio, e utilizou o QGIS para auxiliar a construção do modelo geométrico. Os dois programas estão disponíveis gratuitamente, ponto importante para um projeto que não possuía verba. Esse aspecto limitou a possibilidade de realizar ensaios de campo, o que levou muitas aproximações na construção dos modelos geométrico e hidráulico.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Pode se entender um modelo como uma representação simplificada da realidade. Modelos são cada vez mais utilizados em estudos ambientais, por ajudarem a entender o impacto das mudanças e prever alterações futuras nos ecossistemas. Simulações hidrológicas podem ser entendida como a aplicação de um modelo hidrológico para fazer previsões à cerca do comportamento de uma bacia hidrográfica em uma dada situação. Já simulações de qualidade de água visam determinar se características físicas, químicas e biológicas da bacia hidrográfica a adéquam uso humano e/ou do ecossistema.

O transporte fluvial de petróleo cru e seus derivados é um fenômeno difícil de modelar, pois há diversos fenômenos são fenômenos hidráulicos, físico-químicos e biológicos, com sérias consequências para o ecossistema.

Figura 1 – Representação esquemática do transporte de petróleo cru e derivados

A Baía de Guanabara banha vários municípios fluminenses e possui aproximadamente 28

km de extensão e 4000 km2 de área. É um exemplo de ambiente costeiro misto em acelerado

processo de degradação, resultado da combinação de agentes naturais e antrópicos. Os rios Caceribu e Macacu são tributários cujas sub-bacias correspondem a 51% da área de contribuição continental

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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

de habitantes e encontra-se retilíneo e poluído. O rio ainda conta com uma área de proteção ambiental (APA) perto da foz, onde se formam largos meandros entre os manguezais.

Figura 2 – Localização do COMPERJ e sub-bacias hidrográficas dos rios Caceribu e Macacu. Disponível em <http://agenda21guapimirim.blogspot.com.br>. Acesso em 21/03/2014.

METODOLOGIA

Seleção e Modelos dos Softwares

O HEC-RAS 4.1 é um software voltado para simulações do comportamento de escoamentos unidimensionais, como rios e canais, que permite a modelagem hidráulica permanente ou não permanente. Conta ainda com recursos para modelagens de transporte de sedimentos, qualidade de águas e comportamento do escoamento frente a obstáculos como vertedouros e pontes, todas tendo como pré-requisito a execução de uma modelagem hidráulica.

Para a execução de uma modelagem hidráulica é necessário que se construa um modelo geométrico da calha em questão, composto basicamente da forma e elevação das seções transversais e distância e ângulo entre seções adjacentes. Para obter essas entradas, foram em partes usado o QGIS, em partes feitas aproximações. No QGIS, construiu-se uma série de camadas vetoriais de

polilinhas, para extrair a localização obter a distância entre as seções

transversais. Além disso, o QGIS foi usado para determinar a elevação dos rios e das regiões de margens, baseado de uma imagem topográfica em raster.

Os dados de entrada para a modelagem hidráulica do HEC-RAS são vazão e uma condição

de contorno. Segundo seu Guia de Referência, o HEC-RAS 4.1 modela a qualidade de água utilizando

o método NSM e a equação de dispersão-advecção. É capaz de modelar a temperatura da água ao longo do escoamento, além de DBO, radiação UV, população de algas, entre outras variáveis, desde que haja uma série histórica para embasar as operações. A equação de dispersão-advecção (1) é uma EDP de segunda ordem no tempo e na direção do escoamento, resolvida numericamente.

∂/∂t (Vϕ) = -∂/∂x (Qϕ) Δx + -∂/∂x (ΓAϕ) Δx ± S (1)

Para realizar iterações, a calha é dividida em células de comprimento fixo Δx, em m, cujo tamanho mínimo pode ser definido pelo usuário. Na equação 1, A, V e Q representam área, volume

e vazão, em m2, m3 e m3/s, de uma célula de qualidade de água. O programa determina ϕ(x ,t), que

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Figura 3 – Representação Gráfica da relação entre Células de Qualidade de Água e Seções Transversais no HEC-RAS. Fonte: HEC-RAS 4.1 User’s Manual.

Construção do modelo geométrico do rio Macacu

Para construir o modelo geométrico do Rio Macacu, foram utilizadas as imagens feitas pelo Google Satellite, disponíveis gratuitamente na internet para uso em aplicações não comerciais, da região compreendida entre as latitudes 22,644 S e 22,710 S e as longitudes 42,898 W e 43,046 W. A topografia foi retirada do MDE do LabGeo do Centro de Ecologia da UFRGS. Essas informações foram trabalhadas no QGIS para determinação da geometria do rio e das distâncias superficiais. A batimetria se baseou em dados do Projeto Macacu da UFF e do Estudo de Avaliação da Intrusão Salina do Plano Estadual de Recursos Hídricos do Estado do Rio de Janeiro, realizado pela Fundação COPPETEC.

Figura 4 – MDE do entorno do Rio Macacu entre a foz e o COMPERJ

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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5 Figura 6 – Áreas e Linhas Vetorizadas do modelo do Rio Macacu e seu entorno

No entanto, como os dados batimétricos utilizados inicialmente, disponíveis na Fig. 5, não indicavam a forma das seções, optou-se por adotar uma forma padronizada de seção transversal que varia com a largura da calha e a profundidade do trecho, conforme disposto na Tabela 2. Utilizando uma rotina no Microsoft Excel, esses dados foram calculados para as várias seções e dispostos num arquivo no formato .csv, que pôde ser importado pelo HEC-RAS para dar forma às várias seções transversais criadas.

As seções da calha foram aproximadas por trapézios, porém seus cantos e fundos foram abaulados para evitar ângulos muito grosseiros. A Tab. 1 contém a formulação dos pontos das

seções transversais, com base na largura de topo L e a variação de elevação H0, ambas determinadas

no QGIS. As curvas foram aproximadas para círculos. Os coeficientes de Manning n se baseiam nos

coeficientes para arroios e rios da tabela 8.5 de Porto, 2006, p. 273.

Tab. 1 – Formulação de Construção de Seção Transversal

Estação (m) Elevação (m) Estação (m) Elevação (m)

0,0 H0 + 0,5 10,4 + L – 1,0 H0 - 0,6 – H/10 10,0 H0 + 0,4 10,4 + L – 0,2 H0 - 0,3 10,4 H0 + 0,0 10,4 + L – 0,1 H0 - 0,1 10,5 H0 - 0,1 10,4 + L H0 + 0,0 10,6 H0 - 0,3 10,8 + L H0 + 0,4 11,4 H0 - 0,6 – H/10 20,8 + L H0 + 0,5 10,4 + L/2 H0 – H - -

A simulação do escoamento foi realizada para as vazões de 1,59 m3/s, 5,75 m3/s, 12,06 m3/s

47,47 m3/s e 378,79 m3/s, baseadas nos dados da ANA de 2005 a 2009. A simulação de qualidade

de águas foi feita utilizando o módulo de injeção de massa de tracer, considerando que não havia uma ferramenta própria para modelagem de derramamentos de petróleo bruto. Foram feitos lançamentos de massas variadas em diferentes seções.

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Figura 7 – Superposição da calha com 61 seções tranversais representadas no modelo

Figura 8 – Modelo tridimensional da calha do rio entre o COMPERJ e a Baía de Guanabara

RESULTADOS

Na simulação hidráulica, o modelo geométrico comportou a vazão até 12,06 m3/s. Na simulação de qualidade, o modelo mostra que, para essa vazão, o transporte até a foz demoraria 19h, pois a velocidade é muito baixa no trecho. Paralelamente, pôde-se mostrar também que a existência do reservatório, posto que a barragem não foi modelada, retardou o transporte em 1h30.

Há muito espaço para melhora do modelo geométrico. Além disso, não havia comparativo para estimar o coeficiente de dispersão longitudinal da equação. Esses dois pontos poderiam ser melhorados se houvesse mais ampla disponibilidade de informações de campo da bacia, como batimetrias e ensaios de transporte para calibrar o modelo.

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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7 Figura 9 – Perfil de elevação para Q = 12,06 m3/s

Figura 10 – Perfil de velocidade para Q = 12,06 m3/s

Figura 11 – Perfil de concentração do tracer 2h após lançamento de massa de 1000 kg para Q = 12,06 m3/s

0 5000 10000 15000 20000 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Macacu1 P lan: Plan 02 5/29/2014

Main Channel Distance (m)

E le v a ti o n ( m ) Legend EG PF 1 WS PF 1 Crit PF 1 Ground Macacu 1 0 5000 10000 15000 20000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Macacu1 P lan: Plan 03 5/30/2014

Main Channel Distance (m)

V e l L e ft ( m /s ), V e l C h n l (m /s ), V e l R ig h t ( m /s ) Legend Vel Chnl PF 1 Vel Left PF 1 Vel Right PF 1 Macacu 1 0 5000 10000 15000 20000 -6 -4 -2 0 2 4 6 05Jan2014 14:00:00

Main Channel Distance (m)

T ra c e r1 ( m g /L ) Legend 05JAN2014 14:00:00-Tracer1 (mg/L) Macacu-1

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CONCLUSÃO

Os resultados da simulação não puderam ser calibrados, mas sabe-se que há muito espaço para melhora do modelo geométrico e hidráulico. Apesar da entrada lenta de dados da forma como foi executada, o HEC-RAS se mostrou muito ágil e prático processando e executando as simulações hidráulica e de qualidade de águas. No entanto, não possui ferramentas para modelar o transporte de petróleo além do fenômeno da dispersão-advecção diretamente; no máximo, os demais fenômenos poderiam ser modelados também como tracers pela teoria da cinética de equações.

REFERÊNCIAS

COPPETEC, Laboratório de Hidrologia e Estudos de Meio Ambiente (2009). Elaboração Do Plano Estadual De Recursos Hídricos Do Estado Do Rio De Janeiro – Estudo de Avaliação da Intrusão Salina.

HALAJ et al (2013). Application Of HEC-RAS Water Quality Model To Estimate Contaminant Spreading In Small Stream. Journal of International Scientific Publications.

MARIANO, J. B.(2005). Impactos Ambientais do Refino de Petróleo. Interciência Rio de Janeiro. PAIS et al. Relatório De Impacto Ambiental – RIMA; Complexo Petroquímico Do Rio De Janeiro. PETROBRAS-DPC-EMGEPRON (2003). “Monitoramento E Prevenção Da Poluição Hídrica”. Relatório Técnico Preliminar.

PORTO, R. M. (2006). “Hidráulica Básica”. 4ª Ed. EESC-USP São Carlos.

RENNÓ, C. D. (2003) Construção de um sistema de análise e simulação hidrológica: aplicação a bacias hidrográficas. INPE São José dos Campos, 158p. (INPE – 10437-TDI/925).

ROBERTO, D. M. (2009). Diagnóstico Da Hidrografia

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