Qualidade da água: caracterização de zonas de risco

(1)

QUALIDADE DA ÁGUA SUPERFICIAL

DEFINIÇÃO DE ÁREAS DE RISCO

2º Workshop do Projeto POCTEP Águeda 9 de Novembro de 2012 Instituto Politécnico de Castelo Branco

DEFINIÇÃO DE ÁREAS DE RISCO

S a n d r i n a O l i v e i r a , Te r e s a A l b u q u e r q u e , M a r g a r i d a A n t u n e s , F á t i m a S e c o , N a t á l i a R o q u e

Modelação

Modelação da

da qualidade

qualidade das

das águas

águas superficiais

superficiais –

–

aplicação

aplicação do

do Modelo

Modelo numérico

numérico Qual

Qual2

2Kw

Kw

Plano

Plano de

de amostragem

amostragem –

– 1

1ªª ee 2

2ªª campanhas

campanhas

Atributos

Atributos de

de entrada

entrada no

no modelo

modelo

Atributos

Atributos de

de entrada

entrada no

no modelo

modelo

Resultados

Resultados obtidos

obtidos

Crítica

Crítica dos

dos resultados

resultados ee conclusões

conclusões

Desenvolvimentos

Desenvolvimentos ee trabalhos

trabalhos futuros

futuros

2

Oliveira S, Albuquerque MTD, Antunes IMHR, Seco F, Roque N

Princípios básicos do modelo numérico implementado no

QUAL2KW

1 - Modelo numérico que permite simular a evolução da

qualidade de água num curso de água espacial e

temporalmente

2 - Este modelo foi desenvolvido por Steve Chapra, Greg Pelletier e Hua Tao, no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade Tufts (EUA) e é distribuído gratuitamente pelo EPA (United States Environmental Protection Agency)

3

3 - Suporte:

- O interface gráfico é acessível pois está implementado numa folha de cálculo do software Microsoft Excel.

- Permite: desenhar o sistema a modelar definindo a sua forma

- Permite: desenhar o sistema a modelar definindo a sua forma física e as condições iniciais, tais como, valores de entrada, e de saída, do sistema, bem como as condições naturais. - Permite igualmente interpretar os resultados graficamente e numericamente.

4 - O algoritmo numérico é programado em Fortran 90.

4

(2)

Parâmetros utilizados na calibração do modelo a vermelho. A

negro atributos admitidos pelo modelo mas não introduzidos:

1 -Temperatura;

2 – Condutividade Elétrica; 3 - Oxigénio Dissolvido (OD); 3 - Oxigénio Dissolvido (OD); Sólidos Suspensos Totais (SST); 4 - CBOrápido; CBOlento;

Fósforo orgânico e inorgânico; Azoto total (Ntot);

5 - Nitratos e Nitritos; Coliformes fecais; CQO; Alcalinidade; 6 - pH 5

MODELAÇÃO

O curso de água foi segmentado admitindo características

constantes para todos os troços (inclinação do talude, largura do fundo, rugosidade do canal, etc.).

do fundo, rugosidade do canal, etc.).

Os troços foram numerados por ordem crescente sendo que o

primeiro começa no ponto mais alto do rio (montante).

Os tributários considerados, surgem no modelo como

contribuições tópicas para o sistema global.

6

Tendo em consideração trabalhos realizados, consideraram-se troços com cerca de 2,5km O rio Águeda foi seccionado em 59 troços,desde Navasfrías até Barca d’Alva Barca d’Alva

Figura 1 – Bacia do Rio Águeda

Figura 2 – Esquema de

segmentação. Entradas e pontos de monitorização (a vermelho)

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1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 Curva Hipsométrica 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% 100,00% Co ta [m ]

Área da bacia acima da cota

Figura 3 – Curva Hipsométrica da bacia do rio Águeda

8

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600 800 1000

Perfil Longitudinal - Rio Águeda

0 200 400 600

0 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000

Figura 4 – Perfil longitudinal do rio Águeda

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AMOSTRAGEM

1ª Campanha – Out. 2011 2ª Campanha – Maio 2012

Figura 5 – Pontos de amostragem

10

Para a calibração do modelo numérico foi utilizada, exclusivamente a segunda campanha.

Na verdade, a falta de pontos recolhidos Na verdade, a falta de pontos recolhidos durante a primeira campanha,

nomeadamente ao longo dos

tributários, não permitiu uma calibração aceitável do modelo simulado.

Figura 6 – Pontos de amostragem 11

INPUT’s QUAL2KW QUAL2K

Headwater Reach Reach Rates Initial Conditions Air Temperature Dew Point Temperature Wind Speed

Wind Speed Cloud Cover Shade Solar

Light and Heat Point Sources Diffuse Sources Rates Fitness Temperature Data WQ Data

Figura 7– Input do Qual2Kw 12

(4)

QUAL2K Os Parâmetros foram seleccionados tendo em consideração indicações da indicações da bibliografia e trabalhos realizados

Figura 8 – Parâmetros do rio Águeda inseridos no Qual2Kw 13

HEADWATER Dados da Nascente * Caudal (estimativa) * Parâmetros de Qualidade da Água medidos in-situ e em laboratório (Ponto A00)

Figura 9 – Resultados do rio Águeda utilizados no Qual2Kw

14

REACH

Figura 10 – Resultados obtidos no Qual2Kw

15

REACH

Atributos a introduzir na simulação:

exemplo de cálculos por aproximação I

Figura 11 - Cálculo da largura dos canais a partir de fotointerpretação, tendo por base os ortofotomapas.

16

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REACH RATES

INICIAL CONDITION

Figura 12 – Qual2Kw - Dados opcionais (campos não preenchidos) ₁₇

A partir de informação recolhida no site do Min. Agricultura Alimetación e Medio Ambiente – Espanha, obteve-se uma série de raster mensais relativos

Atributos a introduzir na simulação:

exemplo de cálculos por aproximação II

uma série de raster mensais relativos à T do mês de Maio, para os anos de 2000 a 2010.

Com auxílio de software SIG, gerou-se um raster médio da temperatura mensal do mês de Maio (2000-2010). Retirou-se a T no ponto médio de cada troço do modelo.

Figura 13– Introdução dos valores das temperaturas médias

18

Figura 14 – Raster das temperaturas médias

19

DEW POINT TEMPERATURE A temperatura de ponto de orvalho é dependente da T do ar (T) e da humidade relativa (H). Pode ser obtida através da seguinte fórmula:

Figura 15 – Valores da temperatura do ponto de orvalho

T – Determinada anteriormente H – Obtido através da consulta do site de meteorologia de

espanha (www.aemet.pt) e

usando o valor médio do mês de

Outubro 2011, na estação de

Salamanca

20

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WIND SPEED

Também obtido através da consulta do site meteorologia de Espanhawww.aemet.pt. E usando o valor médio do

mês de Outubro 2011, na

estação de Salamanca

Figura 16 – Velocidade do vento

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CLOUD COVER – Densidade de nuvens

Atributos adaptados da bibliografia

SHADE –Índice de Sombra

SOLAR –Índice de Insolação

LIGHT AND HEAT – Índices de luz e calor

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POINT SOURCES Tributários

Dados disponíveis introduzidos: Caudal; Temperatura; Condutividade Elétrica; Oxigénio Dissolvido; Fast CBOD; Nitratos; Nitritos; pH.

Figura 17–Dados disponíveis introduzidos

23

Oliveira S, Albuquerque MTD, Antunes IMHR, Seco F, Roque N _{Figura 18 – Sub-bacias da bacia do rio Águeda}

24

(7)

0,90

CAUDAL

A

estimativa

do

caudal

para

cada

tributário foi obtido através da média

mensal do mês de Maio (série de

1941-2006), retirando os anos anómalos

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90

Figura 19 – Massa de água para os tributários do rio Águeda - Estimativa dos respetivos caudais

para cada massa de água. Oliveira S, Albuquerque MTD, Antunes IMHR, Seco F, Roque N25

DIFUSE SOURCES

Figura 20– Consideração de fontes difusas no caudal

26

Dados Observados

Dados Simulados

Diferença quadrática entre o 2 valores

Ponderação dos parâmetros

Figura 21– Fitness/Calibração do Modelo 27

8,00 10,00 12,00 14,00 C au d al (m 3/s ) ÁGUEDA - 2ª Campanha (5/2012) 0,00 2,00 4,00 6,00 0 20 40 60 80 100 120 140 C au d al (m distancia à jusante (Km) Q, m3/s

Figura 22 – Curva simulada para o caudal (não existem medições reais).

28

(8)

15 20 25 30 T em p er at u ra (º C ) ÁGUEDA - 2ª Campanha (5/2012) 0 5 10 0 20 40 60 80 100 120 140 T em p er at u ra (º C ) distancia à jusante (Km)

Temp(C) Average Mean Temp-data Temp(C) Minimum

Temp(C) Maximum Minimum Temp-data Maximum Temp-data

A15

Figura 23 – Curva simulada para a temperatura.

29

Figura 24 – Localização dos valores anómalos para a temperatura (Rivera Azaba)

30

200 250 300 350 400 450 co n d u ct iv id ad e (µ S /c m ) ÁGUEDA - 2ª Campanha (5/2012) 0 50 100 150 200 0 20 40 60 80 100 120 140 co n d u ct iv id ad e (µ S /c m ) distancia à jusante (Km)

cond (umhos) Cond (umhos) data cond (umhos) Min

cond (umhos) Max Minimum cond-data Maximum cond-data

A20

Figura 25 – Curva simulada para a condutividade elétrica.

31

Figura 26 – Localização do valor anómalo para a condutividade elétrica.

32

(9)

8 10 12 o xi g én io d is so lv id o ( m g /L ) ÁGUEDA - 2ª Campanha (5/2012) 0 2 4 6 0 20 40 60 80 100 120 140 o xi g én io d is so lv id o ( m g /L ) distancia à jusante (Km)

DO(mgO2/L) DO (mgO2/L) data DO(mgO2/L) Min DO(mgO2/L) Max

Minimum DO-data Maximum DO-data DO sat

A20

Figura 27 –Curva simulada para o oxigénio dissolvido.

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800 1000 1200 1400 1600 n it ra to s + n it ri to s (µ g N /L ) ÁGUEDA - 2ª Campanha (5/2012) A13 0 200 400 600 800 0 20 40 60 80 100 120 140 n it ra to s + n it ri to s (µ g N /L ) distancia à jusante (Km)

NO3 (ugN/L) data NO3(ugN/L) NO3(ugN/L) Min

NO3(ugN/L) Max Minimum NO3-data Maximum NO3-data

Figura 28 –Curva simulada para os nitratos e nitritos.

34

Figura 29 – Localização do valor anómalo para o oxigénio dissolvido, nitratos e nitritos.

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6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 ÁGUEDA - 2ª Campanha (5/2012) 0,0 2,0 4,0 6,0 0 20 40 60 80 100 120 140 distance upstream (Km)

pH pH data pH Min pH Max

Figura 30 – Curva simulada para o pH.

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60 80 100 120 C B O D fa st ( m g /L ) ÁGUEDA - 2ª Campanha (5/2012) ) 0 20 40 0 20 40 60 80 100 120 140 C B O D fa st ( m g /L ) distancia à jusante (Km)

CBODf (mgO2/L) CBODf (mgO2/L) data CBODf (mgO2/L) Min CBODf (mgO2/L) Max

Figura 31 –Curva simulada para o CBODfast.

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Crítica dos Resultados e Conclusões

1 – A primeira campanha não permitiu calibrar o modelo de

forma aceitável, por deficiente malha de amostragem;

2 - Para uma modelação da qualidade da água do rio Águeda e

seus tributários torna-se necessário monitorizar e medir

parâmetros tais como o fósforo e o azoto, em campanhas parâmetros tais como o fósforo e o azoto, em campanhas futuras;

3 – A segunda campanha mostra uma calibração do modelo

muito satisfatória, permitindo localizar pontos anómalos em zonas de alta vulnerabilidade;

4 – As zonas de maior risco, parecem coincidentes com a

contaminação no interior de zonas de alta vulnerabilidade e localizam-se preferencialmente na zona central. Nesta zona ocorre o aquífero Terciário e os maiores aglomerados urbanos.

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