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1 Acadêmica do curso de Engenharia Ambiental e Sanitária da Universidade da Região de Joinville (Univille).
Email: leticialfreitass@hotmail.com;
2 Orientador específico, professor do Departamento de Engenharia Ambiental e Sanitária da Univille. Email:
baldo.wellington@gmail.com;
3 Orientadora de classe, professora do Departamento de Engenharia Ambiental e Sanitária da Univille. Email:
tatiana.cunha@univille.br;
AVALIAÇÃO DE MÉTODOS PARA A DETERMINAÇÃO DA VAZÃO NA LOCALIDADE DA CAPTAÇÃO DE ÁGUA DO RIO PIRAÍ, NORDESTE DE SANTA
CATARINA
Leticia Lediane de Freitas1; Wellington Silva Baldo2; Tatiana da Cunha Gomes Leitzke3
Resumo - O conhecimento da vazão do Rio Piraí é de grande relevância por contribui para o planejamento urbano, no que diz respeito à avaliação da disponibilidade de água para consumo humano, já que este rio contribui para o abastecimento do município de Joinville – SC. Diante do exposto, o objetivo deste trabalho foi analisar a metodologia mais indicada para a medição de vazão no rio supracitado. A escolha das formas de medição se deu por meio do tipo de curso da água e da disponibilidade dos equipamentos, sendo os métodos de velocidade-área e diluição, os aplicáveis ao Rio Piraí. A turbulência do fluxo, ocasionada pelas quedas da água, o leito do rio irregular devido à presença de inúmeras rochas e a presença de água parada foram algumas das fragilidades observadas, que diminuíram a precisão dos resultados obtidos. Porém, ainda assim, o método de velocidade-área se mostrou o mais adequado para a determinação da vazão na localidade da captação de água do Rio Piraí, resultando em uma vazão a montante da captação de 1424,98 l/s e a jusante de 1144,09 l/s. Enquanto que a aplicação do método de diluição a jusante da captação resultou em 800,64 l/s.
Palavras-chaves: Vazão, Método velocidade-área, Método de diluição.
EVALUATION OF METHODS FOR FLOW DETERMINATION IN THE LOCALITY OF WATER CAPTURE OF THE PIRAÍ RIVER, NORTHEAST OF SANTA
CATARINA
Abstract – The knowledge of the flow of the Piraí River is of great relevance because it contributes to the urban planning, with respect to the evaluation of the availability of water for human consumption, since this river contributes to the supply of the municipality of Joinville - SC. In view of the above, the objective of this work was to analyze the most appropriate methodology for flow measurement in the aforementioned river. The choice of measurement methods was determined by the type of watercourse and the availability of the equipment, and the speed-area and dilution methods are those applicable to the Piraí River. The flow turbulence caused by water falls, the uneven river bed due to the presence of numerous rocks and the presence of standing water were some of the weaknesses observed, which diminished the accuracy of the results obtained. However, the velocity-area method proved to be the most adequate for the determination of the flow in the location of the water catchment of the Rio Piraí, resulting in a flow upstream of the capture of 1424,98 l/s and downstream of 1144, 09 l/s. While the application of the dilution method downstream of the uptake resulted in 800,64 l/s. Keywords: Water flow, Area-velocity method, Dilution method.
INTRODUÇÃO
Segundo informações do Censo Demográfico do IBGE (2010), a população do município de Joinville (SC) apresenta um aumento constante, evidenciado pela taxa de crescimento populacional do Estado que é, em média, de 1,3% ao ano. Com uma população de mais de 550 mil habitantes em 2016, estudos apontam que, no ano de 2020, a população no município será de 600 mil habitantes (A NOTÍCIA, 2014). Um dos reflexos deste crescimento é o aumento da demanda de água em seus diversos usos, ou seja, para a indústria, irrigação, lazer e, principalmente, para o abastecimento humano.
O gerenciamento de recursos hídricos tem como objetivo solucionar os conflitos resultantes da necessidade de se captar cada vez mais água, resultado do crescimento econômico e populacional. Além disso, deve garantir que este recurso se mantenha com vazão adequada e preserve as funções biológicas e químicas de seus ecossistemas. Para isso, o conhecimento das variáveis hidrológicas é de grande relevância e contribui para o planejamento urbano. Como por exemplo, os dados de vazão, que permitem a previsão e prevenção de inundações e enchentes, ou, ainda, avaliar a disponibilidade de água em um rio para abastecimento humano (CRUZ, 2001).
Segundo a Portaria SDS 036/08 da Secretaria de Estado do Desenvolvimento Econômico Sustentável, no Estado de Santa Catarina, para a análise de disponibilidade hídrica para captações ou derivação de cursos d’água, deve-se adotar como vazão de referência a Q98,
e, deste montante, somente a metade é outorgada. Tal regra é considerada, segundo Camara (2003), como uma das principais barreiras na implementação de sistemas de outorga. Isso porque as vazões que estão disponíveis, na maior parte do ano, são maiores do que as vazões de referência, e garantem maior segurança à captação da água, porém, pode inibir ou reduzir seus usos. Em contrapartida, a adoção de vazões menos restritivas pode ocasionar o desabastecimento do recurso hídrico em alguns períodos (SILVA e MONTEIRO, 2004).
Conforme o Plano Municipal de Saneamento Básico de Joinville, datado de 2010, o Rio Piraí possui uma vazão com 98% de permanência de 460 l/s, porém somente 230 l/s são outorgados. O relatório de atividades da Agência Municipal de Regulação dos Serviços de Água e Esgotos de Joinville (AMAE) de 2011 afirma que, em dezembro deste mesmo ano, a Estação de Tratamento de Água do Rio Piraí (ETA Piraí) obteve produção média de 484 l/s. Ou seja, mais que o dobro da vazão outorgada, o que evidencia a necessidade de aumento no volume outorgável. Em virtude desse déficit, a companhia responsável pelo abastecimento da cidade
noticiou que haverá a construção de uma nova estação de tratamento de água na região sul da cidade, a ETA Piraí Sul, com capacidade de produção de 750 l/s prevista para 2020 (CAJ, 2015). Vazão é o volume de água que passa por uma determinada seção de um rio ao longo de uma unidade de tempo, sendo usualmente expressa em metros cúbicos por segundo, m³/s. Sabe-se que medições de vazão em rios tendem a Sabe-ser mais dispendiosas, porque o local onde são realizadas é o ambiente natural, onde as variáveis não estão completamente sob controle. Em rios sem qualquer intervenção antrópica, as seções transversais e dimensões tendem a ser desiguais. Logo, não se podem utilizar equações baseadas em escoamento uniforme para o cálculo da vazão. Por esse motivo, é necessário medir a vazão diretamente. Para isso, existem vários métodos, e a escolha entre eles está sujeita ao tipo de curso de água e aos instrumentos disponíveis para a medição (COLLISCHONN et al., 2013).
A medição utilizando calhas ou vertedores se aplica em pequenos cursos de água e canais, devido à necessidade de se construir estruturas no leito do canal, ou desviar a água para que passe através delas. Sua principal vantagem é que apresentam uma relação única e conhecida entre o nível da água e a vazão. Porém, a desvantagem é seu alto custo, além de poder provocar assoreamento e remanso a montante (COLLISCHONN et al., 2013).
Ao contrário do método supracitado, a medição de vazão por área e velocidade se aplica a grandes cursos da água. Trata-se do produto da área de uma seção pela velocidade média da água que atravessa a mesma, resultando na vazão. Para proceder com as medições de velocidade, podem ser utilizados instrumentos mecânicos ou instrumentos eletroacústicos. Dentre os instrumentos mais comuns temos flutuadores, molinetes e ADCP (Acoustic Doppler
Current Profiler) (PINTO et al., 2014).
Vale ressaltar que em um canal, de uma margem a outra e da superfície para o leito, o fluxo não flui de forma homogênea. Conforme a morfologia de um rio há o atrito da água nas margens e no leito e da lâmina de água superficial com a atmosfera, o que causa um efeito de retardamento da velocidade. Este fato incide diretamente na vazão, a qual varia na seção vertical e transversal do rio (CARVALHO, 2008).
Para a medição da área são necessárias medições de largura e profundidade da seção do rio. Nos casos em que o rio possui largura pequena, a distância horizontal entre as margens do rio e entre cada uma das verticais é medida por meio de um cabo graduado estendido. Em rios muito profundos e/ou com altas velocidades de escoamento podem-se utilizar recursos como a batimetria e os sonares (PORTO et al., 2001; PINTO et al., 2014).
A medição da vazão pelo método de diluição também se aplica a pequenos cursos da água, porém, a velocidade e a irregularidade do leito devem ser elevadas. Usa-se também onde
não é possível instalar calhas e vertedores devido ao custo ou acessibilidade, como presença de cachoeiras. Consiste em lançar no curso em estudo uma vazão de uma solução que não seja encontrada em grande quantidade nessas águas e, a jusante, medir a concentração dessa solução comparando-a com a concentração natural do curso (COLLISCHONN et al., 2013; PORTO et
al., 2001).
Os produtos a serem empregados como traçadores devem apresentar certas qualidades essenciais como: alto coeficiente de solubilidade na água, presença nula ou apenas pequenos traços nas águas naturais, ser atóxico e não corrosivo para não causar danos ao ambiente, em equipamentos e nem as pessoas que o manipulam. Sua concentração não deve se alterar sob influência de luz, bactérias, de matéria orgânica, de sedimentos em suspensão ou de outras substancias solúveis presentes na água. Não se aconselha o uso de elementos químicos radioativos como traçadores, que embora apresentem maior precisão, causam uma série de problemas (HINDI et al., 1998).
Dentre os produtos mais utilizados como traçadores tem-se o Cloreto de Sódio (NaCl), Nitrito de Sódio (NaNO2), Sulfato de Manganês (MnSO4), Rodamina (C10H21ClO3N2) e
Bicromato de Sódio (Na2Cr2H7O). O cloreto de sódio, popularmente conhecido como sal de
cozinha refinado, além de ser inofensivo à ecologia, também possui a propriedade de aumentar a condutância específica da água, numa razão proporcional a concentração do mesmo. Tal fato permite medir a condutividade ao invés de se medir a concentração do sal, o que facilita e agiliza o trabalho de medição da vazão (HINDI et al., 1998).
Para a aplicação deste método existem duas condições fundamentais citadas por Hindi
et al. (1998):
a) A homogeneidade do sistema água-traçador deve ser constante para qualquer ponto da seção de medição: Em situação de fluxo turbulento esta homogeneidade se dá em distância muito mais curta quando comparadas a aquelas necessárias para rios com escoamento lento e tranquilo.
b) Conservação da matéria: não deverá ocorrer perda de massa do traçador entre os pontos de lançamento e de medição. Para isso é necessário determinar uma distância mínima (L) entre estes dois pontos que seja suficiente para garantir a homogeneidade da solução e satisfazer a condição anterior. Esta distância depende da velocidade da água no rio, da turbulência do fluxo, da presença de obstáculos e do modo de injeção do sal.
Qualquer que seja o traçador empregado existe dois processos distintos para medir a vazão por este método, o processo por injeção a vazão constante e por integração. A principal diferença entre eles é que o primeiro processo se trata da injeção do traçador a uma vazão constante, enquanto que no segundo, a injeção é instantânea. A vantagem do processo por integração é não precisar controlar a vazão de injeção da solução no rio, o que torna mais fácil a aplicação do método (KILPATRICK et al., 1985). Moore (2005) indica que o processo por injeção constante seja aplicado em pequenos córregos com vazão menor do que 100 l/s e para maiores vazões, de até 10000 l/s, seja aplicado o processo de injeção instantânea.
Visto isso, o conhecimento da vazão do Rio Piraí é um dado primordial no gerenciamento do abastecimento de água do município de Joinville, frente ao cenário atual de crescente demanda. Por isso, o objetivo deste trabalho foi avaliar o método mais adequado para determinação da vazão na localidade da captação de água do Rio Piraí. Os objetivos específicos foram a determinação da região de estudo e das seções de monitoramento.
2. METODOLOGIA
Com a definição da região de estudo, houve a avaliação de seções de monitoramento que proporcionassem condições favoráveis à obtenção dos dados necessários para aplicação dos métodos de medição de vazão. Para a determinação dos métodos a serem empregados, analisou-se as exigências de aplicação de cada forma de medição com os trechos definidos do Rio Piraí. A escolha se deu por meio do tipo de curso de água e da disponibilidade dos equipamentos necessários.
2.1 Descrição da Área de Estudo
A Bacia Hidrográfica do Rio Piraí é pertencente, no Brasil, à grande Região Hidrográfica Atlântico Sul, integrando o sistema da Vertente Atlântica. No Estado de Santa Catarina a Bacia do Piraí está inserida na Região Hidrográfica 6 – Baixada Norte, que faz parte da Bacia Hidrográfica do Rio Itapocu, correspondendo à maior sub-bacia dentre as nove existentes, com 599,85 km², como pode ser observado na Figura 01. Sua área de drenagem abrange, parcialmente, seis municípios catarinenses: Araquari, Balneário Barra do Sul, Barra Velha, Guaramirim, Joinville e Schroeder (IPPUJ, 2013 e ZEH, STEINBACH e BARROS, 2015).
O seu principal curso d’água, o Rio Piraí, é considerado o mais importante afluente da margem esquerda do Rio Itapocu. Suas nascentes estão localizadas na Serra do Mar e entre seus afluentes, destacam-se: Rio Águas Vermelhas, Rio Motucas, Rio Aratacas, Rio Lagoa Bonita, Ribeirão Lagoinha, Rio do Salto, Ribeirão Margarida, Rio Zoada, Rio Dona Cristina, Rio Quati, Rio Poço Grande, Rio Una, Ribeirão das Cordas e Ribeirão Cardoso (STEINBACH e TOMASELLI, 2013).
Figura 01 - Mapa com as Sub-Bacias Hidrográficas da Bacia do Itapocu.
Fonte: STEINBACH e TOMASELLI (2013).
2.2 Definição das seções de monitoramento e dos métodos a serem utilizados
Tendo em vista o objetivo desta pesquisa, determinou-se, como região de estudo, os trechos a montante e a jusante da primeira captação de água do Rio Piraí. Optou-se por essas localizações devido à possibilidade de verificação das vazões encontradas, pois o fluxo a montante deve ser próximo à somatória da vazão captada e da vazão jusante.
A vazão de captação foi obtida pela Companhia de Saneamento Básico Águas de Joinville (CAJ), por meio do medidor de vazão ultrassônico portátil Portaflow 330 da marca Micronics. Trata-se de um equipamento que mede a velocidade em condutos forçados através
da emissão de um sinal ultrassônico entre os transdutores, que são do tipo clamp-on, bastando apenas inserir o diâmetro interno da tubulação no datalogger. Quando o sinal é transmitido entre os transdutores, a velocidade na qual o som se propaga através do líquido é levemente acelerada pela velocidade do líquido na tubulação. E quando o sinal é transmitido na direção oposta, a vazão do líquido causa uma desaceleração na transmissão do som. A diferença de tempo é diretamente proporcional à velocidade do líquido na tubulação.
Com a definição da região de estudo, realizaram-se visitas in loco no rio, e análises de imagens aéreas para avaliação das seções que proporcionassem condições favoráveis à obtenção dos dados necessários para aplicação dos métodos de medição de vazão. Além disso, procurou-se por locais de fácil acesso, com margem e leito não erodíveis e com seção o mais regular possível.
Para a definição das seções de monitoramento, bem como os métodos a serem empregados, analisaram-se as formas de medição de vazão apontadas na literatura e as suas exigências de aplicação com os trechos definidos do Rio Piraí, conforme Quadro 01.
Quadro 01 – Métodos de medição de vazão versus exigências de aplicação Método de
medição de vazão Exigências de aplicação do método
Velocidade-área Vetores de velocidade paralelos Escoamento Fluvial
Diluição Velocidade e irregularidade do leito devem ser elevadas Ausência de águas paradas
Fonte: COLLISCHONN et al., 2013 e PORTO et al., 2001.
A escolha entre as formas de medição de vazão se deu por meio do tipo de curso de água e da disponibilidade dos equipamentos necessários. Vale ressaltar que o método por calhas e vertedouros não foi considerado, por não ser viável no momento, devido a necessidade de sua construção com custo apreciável. Além disso, pode provocar assoreamento e o remanso (elevação do nível) a montante.
2.3 Método de medição de vazão por velocidade-área
Para o método de velocidade-área, utilizou-se o método da meia seção, que considera a velocidade média em uma vertical válida em uma área próxima a essa vertical, denominada área de cada segmento. Este método consiste na determinação de vazões parciais, sendo estas
o resultado da multiplicação da área e da velocidade de cada seção. Segundo Collischonn et al. (2013) e a Agência Nacional de Águas - ANA - (2009) este método é o mais usual.
Foi estabelecida uma seção transversal de referência onde foi fixado um cabo graduado, a fim de medir a distância horizontal entre as margens e entre cada uma das verticais, respeitando as indicações expostas na Tabela 01. Para cada vertical foi medida a distância da margem e a profundidade no local com uma haste graduada.
Tabela 01 – Espaçamento das medições para uma boa representatividade do perfil Largura do rio (m) Espaçamento máximo (m)
Até 3 0,3 3 a 6 0,5 6 a 15 1 15 a 30 2 30 a 50 3 50 a 80 4 80 a 150 6 150 a 250 8 <250 12
Fonte: DNAEE (1967) apud Santos et al. (2001).
A fim de garantir que as duas extremidades do cabo estivessem na mesma cota, foi utilizado o nível automático Leica NA720 e uma régua graduada. Para isso, posicionou-se o tripé do nível automático no centro do Rio Piraí, no sentido do escoamento da água e equilibrou-se o nível circular para que o equipamento estivesequilibrou-se nivelado na horizontal. Girou-equilibrou-se a luneta em 90° para a direita, e ao mirar na régua graduada, fez-se uma marcação na rocha. O mesmo procedimento ocorreu para o lado esquerdo.
Para determinar a velocidade, utilizou-se medição direta com o Mini molinete da marca Hidromec, cedido pelo Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Para verificar qual a posição ideal do Mini molinete na vertical, seguiu-se as orientações fornecidas pela ANA (2009). Sendo assim, multiplicou-se a profundidade medida na vertical pelo coeficiente indicado na Tabela 02, para obter a altura adequada para tomada de dados.
Tabela 02 - Fórmulas para posição do Mini molinete Nº de pontos Posição na vertical em relação a profundidade (p) Profundidade (m) 1 0,6 p 0,15 – 0,6 2 0,2 e 0,8 p 0,6 – 1,2 3 0,2; 0,6 e 0,8 p 1,2 – 2,0 4 0,2; 0,4; 0,6 e 0,8 p 2,0 – 4,0 6 S; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 p e F > 4,0 Fonte: ANA (2009).
O Mini molinete utilizado fornece, no visor, quantas rotações houve durante 20 segundos, porém, sua equação requer rotações por segundo (rps). Logo, dividiram-se por 20 os valores registrados, aplicou-se a Equação (1) e calcularam-se as velocidades médias em cada vertical (m/s) conforme as fórmulas da Tabela 03.
V = 0,02026523 + 0,27700385 ∗ rps (1)
Tabela 03 - Fórmulas para cálculo da velocidade média na vertical Nº de
pontos Cálculo da velocidade média (Vm) na vertical
1 Vm = V*0,6 2 Vm = (V*0,2+ V*0,8)/2 3 Vm = (V*0,2+ V*0,6+V*0,8)/4 4 Vm = (V*0,2+V*0,4+V*0,6+V*0,8)/6 6 Vm = [Vs+2(V*0,2+V*0,4+V*0,6+V*0,8)+Vf ]/10 Fonte: ANA (2009).
Para calcular a largura da seção utilizou-se a Equação 2 para todas as verticais definidas, onde d é a distância da margem (m).
𝑙 =(𝑑𝑛− 𝑑𝑛−1)
2 (2)
A área de cada segmento foi definida pela Equação 3, onde l é a largura da seção (m) e
p a profundidade na vertical (m).
𝑎 = 𝑙 ∗ 𝑝 (3) A vazão em cada segmento foi definida pela Equação 4, onde a é a área de cada segmento (m²) e v a velocidade média em uma vertical (m/s).
𝑞 = 𝑎 ∗ 𝑣 (4) Por fim, a vazão total da seção se deu pela soma de todas as vazões parciais (m³/s), conforme indicado na Equação 5.
𝑄 = ∑ 𝑞 (5)
2.4 Método de medição de vazão por diluição
Para o método de medição por diluição, foi escolhido como traçador o sal de cozinha (NaCl) devido à sua facilidade de utilização. Para validar a possibilidade de aplicação do método, foi realizado a análise das concentrações de íons Na+ e Cl- relatadas nas medições físico-químicas do Rio Piraí, fornecidas pela CAJ. Isto para se identificar se os valores provenientes de uma ocorrência natural poderiam interferir nos resultados das medições. Para isso comparou-se os valores obtidos com os utilizados por Hindi et al. (1998), que foram de 1,5 mg/l de Na+ e de 2,8 mg/l de Cl-.
A distância mínima (L) entre os pontos de injeção do sal e de medição da condutividade, para garantir a homogeneidade da solução, foi obtida em função da largura do Rio Piraí por meio do Quadro 02, fornecido por André (1960) apud Hindi et al. (1998).
Quadro 02 – Faixa de valores para a distância mínima em função da largura do rio Largura do rio Alguns metros Algumas dezenas de metros 50 a 200 metros Distância mínima 50 a 300 m 300 a 2000 m 1000 a 15000m
Fonte: André (1960) apud Hindi et al. (1998).
Para determinar a massa de sal a ser injetada foram feitos testes de saturação da água do rio Piraí. Adicionaram-se porções de 100 g de sal em um recipiente de 8 l. No momento em que se observou sal sedimentado, parou-se o procedimento e a massa de sal adotada para realizar a medição, foi a soma das porções adicionadas anteriormente. Isso porque há divergência na quantidade de sal e no volume do recipiente utilizado em outros artigos. Pineda (2008) utilizou 2 kg de sal em um recipiente com volume de 50 l, já Wood (2002) utilizou 1 kg de sal diluídos em 8 l. Hindi et al. (1998) sugerem ainda uma relação empírica de 500 g de sal para cada 100 l/s de vazão.
Para a execução do método, preparou-se a solução salina dissolvendo 1 kg de sal em um recipiente de 8 l. Houve então a injeção da solução no rio, que se deu de forma instantânea, imediatamente antes de uma pequena queda da água, a fim de que, o regime turbulento misturasse a água do rio e a solução salina. Antes da injeção, foi coletada uma amostra da água do rio de 500 ml, para utilizar na calibração do método, e mediu-se também a condutividade da
água. Após a injeção da solução anotou-se a condutividade da água a cada 5 segundos até o valor registrado ser igual ao da concentração inicial. As etapas para a aplicação deste método são melhores demonstradas no Fluxograma 01. Para as medições de condutividade pertinentes a este método utilizou-se a sonda multiparâmetro Hanna HI 9828, cedida pelo Laboratório de Meio Ambiente da Universidade da Região de Joinville (Univille).
Fluxograma 01 – Etapas da aplicação do método de medição de vazão por diluição.
Fonte: Própria (2016).
Para determinar a vazão do rio utilizou-se a equação 6, fornecida por Hindi et al. (1998), onde Q é a vazão do rio (l/s), m é a massa do sal (g), Ki é a condutividade medida na seção do
rio (µS/cm), K0 é a condutividade medida na seção do rio antes da injeção salina (µS/cm), ∆t
corresponde ao intervalo de tempo entre duas medições consecutivas (s), α (g/l.µS/cm) é o coeficiente angular da reta que relaciona a concentração com a condutividade e n é o número de medidas de condutividade realizadas.
𝑄 = 𝑚
𝛼∗ ∆𝑡∗ [(∑𝑛𝑖=1𝐾𝑖)−𝑛∗𝐾0] (6)
Para a obtenção do coeficiente angular da reta que relaciona a condutividade à concentração foi realizada a calibração do método sugerida por Hindi et al. (1998) e melhor demonstrada no Fluxograma 02. Para isso preparou-se a solução padrão de NaCl com concentração de 10 g/l e mediu-se 250 ml da amostra de água do Rio Piraí em um becker.
Adicionou-se 0,5 ml da solução padrão e mediu-se a condutividade. Após a realização de oito medições obteve-se a equação da reta, que melhor se ajustou aos pontos considerados, através da regressão linear, com o auxílio do Software Microsoft Office Excel.
Fluxograma 02 – Etapas para a realização da calibração do método.
Fonte: Própria (2016).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os métodos de medição de vazão foram aplicados em uma mesma tarde, no trecho do Rio Piraí a montante e a jusante da primeira captação de água da companhia responsável pelo abastecimento público na cidade de Joinville. Esses dois trechos foram escolhidos tendo em vista o atendimento das exigências citadas no Quadro 01. Além disso, proporcionaram profundidade acessível para a tomada de dados e também ausência de obstáculos, tais como galhadas.
Vale ressaltar que, para este estudo, foram realizadas 6 medições de vazão. Porém, optou-se por apresentar os dados de apenas um único dia de medição devido ao fato das outras 5 medições apresentarem incoerências e falhas de campo e também pela dinâmica fluvial interferir nos resultados obtidos. Processos como erosão e sedimentação, responsáveis pelo desprendimento, transporte e deposição de partículas sólidas, modificam o leito do rio, o que incide diretamente na variação do nível da água. Estes processos têm estado ativo, logo o fluxo do rio varia ao longo do tempo e do percurso. Além disso, rochas e troncos de árvores contribuem para a alteração do curso da água. Com a aplicação dos métodos de medição de vazão em um único dia, é possível comparar os resultados com maior precisão (WMO, 1994).
Para o método de diluição observou-se elevada irregularidade do trecho, devido a presença de rochas que formam pequenas quedas da água, como pode ser observado na Figura 02 do trecho a montante da captação. O trecho a jusante se comporta da mesma maneira, porém, a vazão é menor, devido a retirada de água pela captação da companhia. Com relação a velocidade elevada, observou-se sua presença, principalmente, nas quedas da água. Outra exigência do método de diluição é a ausência de águas paradas, o que foi cumprido no trecho a jusante. Porém, no trecho a montante, observou-se a presença desta situação na margem direita do Rio Piraí. Os locais onde foram realizadas as medições da condutividade referentes à aplicação deste método estão sinalizadas pela flecha amarela nas Figuras 02 e 03.
Para o método de velocidade-área, observou-se apenas um momento em que o escoamento era fluvial em cada um dos trechos, sendo os locais utilizados para a obtenção dos dados. Estes locais pouco se distanciavam de quedas da água, como pode ser observado na Figura 02 do trecho a jusante da captação, o que pode ter interferido nos vetores de velocidade, que devem ser paralelos. Porém, mesmo assim, optou-se por estas localizações devido à falta de locais que apresentassem melhores condições. As seções transversais utilizadas para a aplicação deste método estão sinalizadas pela linha amarela nas Figuras 02 e 03.
Figura 02 - Trecho a montante da primeira captação de água do Rio Piraí
Figura 03 - Trecho a jusante da primeira captação de água do Rio Piraí.
Fonte: Própria (2016).
A vazão resultante da aplicação do método por diluição no trecho a montante da captação de água não será considerada neste estudo devido a incoerência do valor encontrado. Isso porque a distância entre os pontos de injeção e medição da condutividade foi de aproximadamente, 15 m, valor este que está fora da faixa indicada pelo Quadro 02 para a distância mínima em função da largura do rio, que na seção é de, aproximadamente, 14,10 m. Como já citado, o trecho possui muitas quedas da água com alturas relativamente elevadas, o que impossibilitou o acesso para injeção do sal. Kilpatrick et al. (1985) argumentam que distâncias menores do que as recomendadas causam uma mistura incompleta entre o traçador utilizado e a água do rio, incidindo em um valor de vazão não correspondente com a realidade. O método de medição de vazão por diluição, aplicado a jusante da captação de água, resultou em uma vazão de 800,64 l/s. O comportamento da solução salina durante a estimativa de vazão está demonstrado na Figura 04, onde a concentração inicial foi de 27 µS/cm e o pico de condutividade foi de 40 µS/cm, demorando 21 minutos para retornar ao valor da condutividade inicial.
A distância entre os pontos de injeção e medição da condutividade foi cerca de 50 m, valor este que está dentro da faixa indicada pelo Quadro 02 de distância mínima em função da largura do rio, que na seção é de aproximadamente 14 m. Isso porque o trecho possui quedas da água menores do que as encontradas a montante da captação, permitindo o acesso para injeção da solução salina.
Figura 04 - Variação temporal da condutividade da água após a injeção salina (tempo 0) a jusante da primeira captação
Fonte: Primária (2016).
O coeficiente angular da reta que relaciona a concentração com a condutividade, utilizado para calcular a vazão a jusante da captação, foi de 0,0002, conforme demonstrado na Figura 05. Este valor se assemelha aos encontrados por Hindi et al. (1998) e Bortoluzzi (2008), que foram de 0,0005 e 0,0006 respectivamente.
Figura 05 - Relação entre condutividade e concentração de sal
Fonte: Primária (2016).
O método de velocidade-área aplicado a montante da captação de água resultou em uma vazão de 1424,98 l/s. A Tabela 04 apresenta os dados obtidos com este método, considerando a distância entre cada vertical de 1 m, devido ao Rio Piraí possuir 14,10 m de largura na seção transversal utilizada. Vale ressaltar que a primeira vertical considerada teve distância de apenas 0,10 m e foi utilizada na medição devido à extremidade do cabo graduado estar fixado numa rocha com formato irregular.
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Con d u tiv id ad e ( µ S/cm ) Tempo (s) y = 0,0002x - 0,0047 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0 200 400 600 800 1000 C onc entra çã o (g /l ) Condutividade (µS/cm)
Tabela 04 – Dados obtidos com o método velocidade-área a montante da captação Vertical Distância acumulada (m) Profundidade (m) Velocidade média na vertical (m/s) 1 0,10 0,50 0,04 2 1,10 0,49 0,07 3 2,10 0,48 0,08 4 3,10 0,26 0,14 5 4,10 0,30 0,16 6 5,10 0,44 0,13 7 6,10 0,60 0,14 8 7,10 0,68 0,17 9 8,10 0,70 0,21 10 9,10 0,74 0,21 11 10,10 0,50 0,28 12 11,10 0,50 0,42 13 12,10 0,45 0,39 14 13,10 0,55 0,20 15 14,10 0,98 0,10 Fonte: Própria (2016).
O método de velocidade-área aplicado a jusante da captação de água resultou em uma vazão de 1144,09 l/s. A Tabela 05 apresenta os dados obtidos, considerando também a distância entre cada vertical de 1 m, devido ao Rio Piraí possuir 14 m de largura na seção transversal utilizada. Porém, em dois momentos, não foi possível utilizar esta distância. A primeira vertical considerada teve distância de 2,30 m da rocha onde o cabo graduado estava fixado. E a vertical número 8 teve distância de 1,5 m devido a presença de uma rocha que impossibilitava a correta medição da profundidade.
Tabela 05 – Dados obtidos com o método velocidade-área a jusante da captação Vertical Distância acumulada (m) Profundidade (m) Velocidade média na vertical (m/s) 1 2,30 0,14 0,02 2 3,00 0,19 0,16 3 4,0 0,52 0,05 4 5,0 0,54 0,09 5 6,0 0,80 0,14 6 7,0 0,70 0,20 7 8,0 1,30 0,12 8 9,5 1,72 0,03 9 10,5 1,20 0,08 10 11,5 0,80 0,11 11 12,5 0,82 0,05
12 13,5 0,90 0,10
13 14,5 1,20 0,12
14 15,5 1,50 0,07
Fonte: Própria (2016).
Em termos de comparação entre os métodos de medição de vazão aplicados no trecho a jusante da primeira captação do rio Piraí, observou-se uma proximidade dos resultados obtidos. Esta constatação também foi apresentada em outros estudos comparativos, utilizando os mesmos métodos de medição como, por exemplo, os de Carvalho et al. (2014), Hindi et al. (1998) e Bortoluzzi (2008).
Quando comparados os valores obtidos pelo método de velocidade-área com a vazão captada, que no momento da aplicação do método era de 510 l/s, a diferença entre a vazão a montante da captação e a de jusante é de apenas 280,89 l/s, enquanto que, teoricamente deveria ser de 510 l/s. Segundo Sappa, Ferranti e Pecchia (2015), este fato pode estar associado à infiltração de águas subterrâneas no rio, fazendo com que esta diferença entre vazões diminua, pois há incorporação de água no fluxo do rio. Além disso, os mesmos autores afirmam que o método de velocidade-área tem limitações em rios com quedas da água, pois a grande turbulência diminui a precisão com que a profundidade e a velocidade do fluxo são medidas. Paiva et al. (2008) complementa ainda que, nos casos de baixas lâminas da água, há o escoamento entre as rochas do leito, onde não é possível realizar a medição de vazão.
Comparando as vazões obtidas pelos dois métodos aplicados, tomando por base o método de velocidade-área, a diferença é de 339,45 l/s, que resulta em uma variação de aproximadamente 30%. As vazões obtidas por Carvalho et al. (2014), Hindi et al. (1998) e Bortoluzzi (2008), utilizando os mesmos métodos de medição, também tiveram variações, sendo inferiores a 1%, 4% e 18%, respectivamente. Bortoluzzi (2008) concluiu que em vazões menores do que 10 l/s, as vazões obtidas pelos métodos de velocidade-área e diluição são similares. Já em vazões maiores, que é o caso deste estudo, há variações significativas entre os métodos, muito provavelmente devido aos erros associados a cada método.
Com relação as causas de erros do método de diluição, Sappa, Ferranti e Pecchia (2015) citam a perda do traçador entre o ponto de injeção e de medição, que pode ocorrer devido a presença de águas paradas. Hindi et al. (1998) apontam que podem ocorrer leituras falsas de condutividade devido a imersão da ponta do sensor no fundo do rio e que o equipamento utilizado para realizar as medições pode estar descalibrado, o que não foi o caso da sonda multiparâmetro utilizada neste estudo.
Vale ressaltar que as concentrações de Na+ e Cl- nas águas do Rio Piraí, não comprometeram a precisão dos resultados. Isso porque houve a validação do método de medição por diluição com os valores utilizados por Hindi et al. (1998), concluindo-se que o rio estava apto para sua aplicação. Os valores de concentração de Cl- fornecidos pela CAJ foram inferiores ao apresentado por Hindi et al. (1998) de 2,8 mg/l. O autor supracitado afirma que a ocorrência natural é muito pequena, logo em nada interfere. Os valores de Na+ fornecidos foram provenientes da água tratada, o que não serve de parâmetro no momento.
CONCLUSÃO
Sabe-se que os dois métodos de medição de vazão utilizados, neste estudo, possuem vantagens e limitações inerentes, ainda mais sendo aplicados em um rio com as características do Rio Piraí. A turbulência do fluxo ocasionadas pelas quedas da água, o leito irregular do rio devido a presença de inúmeras rochas e a presença de águas paradas foram algumas das fragilidades observadas que diminuíram a precisão dos resultados obtidos. Porém, ainda assim, o método de velocidade-área se mostrou o mais adequado para a determinação da vazão na localidade da captação de água do Rio Piraí.
No emprego das técnicas, o método supracitado apresentou-se mais vantajoso devido a sua melhor precisão e rapidez na operação, além da possibilidade de aplicação nos dois trechos em estudo, porém, sua desvantagem é marcada pelo alto custo do equipamento. A técnica de medição por diluição proporcionou maiores vantagens no que tange praticidade na operação e baixos custos, além da possibilidade de aplicação onde outros métodos necessitam de condições particulares. Porém sua maior desvantagem foi marcada pela distância mínima necessária.
Para estudos futuros, sugere-se a aplicação do método de medição de vazão por diluição no trecho a montante da primeira captação de água utilizando a distância mínima recomendada, a utilização de outros equipamentos para a medição da velocidade, como o ADCP (Acoustic
Doppler Current Profiler), a realização da curva-chave do Rio Piraí mediante constante
monitoramento do leito do rio devido às inúmeras rochas que podem alterar a seção transversal e a utilização do método de medição de vazão por vertedouros.
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