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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ – UNIVALI
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR – CTTMar
CURSO DE OCEANOGRAFIA
MODELAGEM E ANÁLISE DO LANÇAMENTO DE EFLUENTES ATRAVÉS
DE EMISSÁRIO SUBMARINO – REGIÃO DO CAMPECHE, FLORIANÓPOLIS,
SC
VINICIUS DELFIM
Itajaí
2011
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ – UNIVALI
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR – CTTMar
CURSO DE OCEANOGRAFIA
MODELAGEM E ANÁLISE DO LANÇAMENTO DE EFLUENTES ATRAVÉS
DE EMISSÁRIO SUBMARINO – REGIÃO DO CAMPECHE, FLORIANÓPOLIS,
SC
VINICIUS DELFIM
Monografia apresentada como parte dos
requisitos para obtenção do grau de Bacharel
em Oceanografia da Universidade do Vale do
Itajaí.
Orientador: Prof. Dr. João Luiz B. de Carvalho
Itajaí
2011
Dedicatória
Dedico aos meus pais e ao meu irmão.
Agradecimentos
Além de agradecer minha família por ter custeado minha formação. Gostaria
de agradecer por algo muito maior. O amor, a união os valores e os princípios.
Meu pai sempre servindo de exemplo e minha mãe com seu incrível poder de
descobrir quando seu filho precisa de carinho. Meu irmão, por me incentivar a
cursar Oceanografia, se não fosse por ele não estaria me formando e nem
trabalhando junto com ele.
A minha namorada Ana Magda, por compreender os momentos de ausência e
também corrigir meu TCC.
Meus amigos, Ricardo, Carlos Antonio, Roseli, Ana Magda, Lostão, Edôncio,
Chipa, Maia, Renatinha, Dani, Gu, Gabosa, Pachioni, Martin, Priscila, Zé
Pequeno, Bruna, Churisba, Mu, Toninho, Mineiro, Fofo, Alien, Tche Olivia, Du,
Robo, Morjana, João Andrade, Paula, Gordo, Je, Brianinha, Bob, Carol. E alguns
que eu posso ter esquecido.
Aos colegas de Laboratório, que tornaram o ambiente de trabalho em algo
agradável.
A todos os professores e colegas, que de um jeito ou de outro participaram de
minha formação.
E ao meu orientador Professor João Luiz Baptista de Carvalho.
Resumo
Através da modelagem numérica, objetivou-se analisar a dispersão da pluma
bacteriana de um possível emissário implantado na região do Campeche. A fim de
dimensionar a pluma bacteriana foi utilizado o SisBaHiA® (Sistema Base de
Hidrodinâmica Ambiental), registrado e continuamente melhorado pela Fundação
Coppetec – COPPE/UFRJ, para alcançar tais resultados. No entanto, foi
necessário calcular curvas de decaimento bacteriano (T90), estimar uma descarga
em função da descarga de projeto, confeccionar uma série temporal de
concentração do efluente lançado de acordo com as concentrações de coliformes
fecais nas estações de tratamento da CASAN (Companhia de Águas e
Saneamento do Estado de Santa Catarina). O modelo mostrou-se eficiente em
relação à oscilação do nível do mar, embora tenha subestimado os valores de
corrente. Esta eficiência pode ser analisada através do parâmetro estatístico R²,
que apresentou valores de 0,9771 para a elevação do nível do mar na Praia da
Pinheira e 0,7886 para oscilações do oceano na Ilha João da Cunha, e valores de
0,5458 e 0,1253 para as componentes de correntes U e V respectivamente. Por
fim foi possível analisar a pluma bacteriana do emissário, e confrontar com os
parâmetros da resolução CONAMA 357/2005, que diante dos resultados obtidos,
apresenta características negativas para instalação deste emissário.
Palavras-Chave: Emissário Submarino, SisBaHiA, Modelagem Numérica,
CONAMA 357/2005.
Lista de Figuras
Figura 1: Comportamento típico de dispersão de efluentes de um emissário
submarino. Fonte: Jirka et al., 2006 apud Bleninger & Jirka, 2005. ....................... 6
Figura 2: Representação esquemática da similaridade de processos ocorridos
em uma chaminé com os de um emissário submarino. Fonte: Gonçalves &
Souza, 1997 ........................................................................................................... 9
Figura 3: Esquema proposto para a modelagem do decaimento bacteriano. O
mesmo é promediado para espessura da pluma, He, a partir da luminosidade que
alcança a profundidade do topo Ze. Fonte: Carvalho, 2006. ................................ 19
Figura 4: Reprodução esquemática da estrutura de massas d’água na
Plataforma Continental Sudeste do Brasil, nas situações de inverno e verão
(modificado de Matsuura, 1986). .......................................................................... 22
Figura 5: Distribuição esquemática das correntes de superfície da PCSB.
Fonte: Mesquita, 1983. ......................................................................................... 23
Figura 6: Localização da área de estudo e difusores do emissário submarino.
............................................................................................................................. 25
Figura 7: Equipamento utilizado para aquisição dos valores de correntes. ..... 27
Figura 8: Histograma de profundidades de Sechii obtidas ao largo Praia da
Joaquina durante a fase de diagnóstico ambiental. O mesmo variou de 2 a 13
metros no período com pico entre 3 e 4 metros. Uma função densidade de
probabilidade tipo Weibull foi ajustada ao histograma para geração de números
randômicos que seguem essa distribuição. ......................................................... 31
Figura 9: Séries de radiação solar na superfície do mar dos meses de janeiro e
julho de 2007, representando o verão e o inverno respectivamente. Valores esses
adotados no cálculo do decaimento bacteriano. .................................................. 32
Figura 10: Histograma das concentrações de Escherichia coli nas estações de
tratamento da CASAN (n=160). Fonte: Estudo de Impacto Ambiental e estudo
oceanográfico para emissários submarinos de esgoto tratado do SES Lagoa da
Conceição (praia da Joaquina). ............................................................................ 33
Figura 11: Série de descarga adotada na simulação numérica ...................... 34
Figura 12: Batimetria da região do Campeche, e conseqüentemente da área
modelada. A cruz preta sobre a Ilha do Campeche e profundidade de 30 metros,
indica a posição dos difusores. ............................................................................ 35
Figura 13: Diagrama do processo de modelagem em recursos hídricos. A parte
realçada é a rota usual. Fonte: Rosman, 2009. .................................................... 36
Figura 14: Malha de elementos quadráticos finitos adotados no modelo. ....... 37
Figura 15: Local de validação e análise dos dados obtidos através de
amostragem in-situ, e da simulação computacional. ............................................ 41
Figura 16: Série temporal de elevação de nível d’água na Praia da Pinheira,
inicia em 22/03/3077 12:00:00 e termina em 22/04/2007 12:00:00. B) Série
temporal de elevação do nível d’água na Ilha João da Cunha, inicia em
22/03/3077 12:00:00 e termina em 22/04/2007 12:00:00. C) Diagrama de
dispersão entre as séries medidas e simuladas pelo modelo hidrodinâmico para
Praia da Pinheira. D) Diagrama de dispersão entre as séries medidas e simuladas
pelo modelo hidrodinâmico para Ilha João da Cunha. E) Análise espectral das
séries medidas e simuladas para os dados referentes à Praia da Pinheira. F)
Análise espectral das séries medidas e simuladas para os dados referentes à Ilha
de João da Cunha. ............................................................................................... 43
Figura 17: Escoamento residual obtido através da modelagem numérica. ..... 45
Figura 18: Série temporal da componente U na Praia dos Ingleses, inicia em
22/03/3077 12:00:00 e termina em 22/04/2007 12:00:00. B) Série temporal da
componente V na Praia dos Ingleses, inicia em 22/03/3077 12:00:00 e termina em
22/04/2007 12:00:00. C) Diagrama de dispersão entre as séries medidas e
simuladas pelo modelo hidrodinâmico para a componente U. D) Diagrama de
dispersão entre as séries medidas e simuladas pelo modelo hidrodinâmico para a
componente V. E) Análise espectral das séries medidas e simuladas para os
dados referentes à componente U da Praia dos Ingleses. F) Análise espectral das
séries medidas e simuladas para a componente V da Praia dos Ingleses. .......... 46
Figura 19: Dados oceanográficos retirados do modelo hidrodinâmico na região
dos difusores do Campeche. A) Série de elevação do nível de água durante o
período simulado. B) Espectro de elevação do nível da água. C) Diagrama de
dispersão das componentes U e V, indicando a direção predominante da corrente.
D) Série de direção das correntes na região do Campeche. E) Histograma de
ocorrência de direções. F) Série intensidade de correntes retiradas do modelo na
Região do Campeche. .......................................................................................... 48
Figura 20: Intensidade e direção dos ventos inseridos no modelo numérico. . 49
Figura 21: Rosa dos ventos cumulativas entre dados de Estações
Meteorológicas CIRAM/INMET (a) e satélite QuikSCAT SeaWinds (b) para Ilha
do Arvoredo. Cores representam classes de intensidade de vento (m/s) e barra
de porcentagem representa porcentagem de ocorrência durante o período.. Fonte:
Gomes, 2010 ........................................................................................................ 50
Figura 22: Curvas médias de decaimento bacteriano calculado. .................... 50
Figura 23: Curvas de decaimento bacteriano utilizado no processo de
simulação numérica ............................................................................................. 51
Figura 24: Valores de T90 Horário no decorrer de um dia em situação de verão
e inverno. Podemos observar que os T90 noturno são praticamente iguais no
verão e no inverno. Isto ocorre em função de o fator determinante na variação do
T90 na região é a quantidade de radiação solar que atinge o corpo d´água,
considerando que a variação anual da temperatura dá água é desprezível. Fonte:
Adaptado de Topázio, 2003. ................................................................................ 53
Figura 25: Demonstra a estratificação da coluna de água na região do
Campeche. ........................................................................................................... 54
Figura 26: Cenário em situação típica de verão. A linha vermelha representa a
máxima excursão da pluma com concentração maior ou igual ao limite máximo
instantâneo estabelecido na Resolução CONAMA N° 357/2005 para Coliformes
Fecais em Águas Salinas de Classe 1 (2500 NPM/100ml). ................................. 55
Figura 27: Cenário em situação típica de Verão. Freqüência de excedência
superior a 20% dos limites estabelecidos na Resolução CONAMA N° 357/2005
para Coliformes Fecais. A isolinha externa mostra o enquadramento para Águas
Salinas de Classe 1 (1000 NPM/100ml). A isolinha do meio mostra o limite do
enquadramento para Águas Salinas de Classe 2 (2500 NPM/100ml) e a isolinha
interna mostra o limite do enquadramento para Águas Salinas de Classe 3 (4000
NPM/100ml). Esta macha demonstrada na figura seria o local com condições de
balneabilidade insatisfatória. Obs.: Os detalhes não estão em escala. ................ 56
Figura 28: Cenário em situação típica de Inverno. A linha vermelha representa
a máxima excursão da pluma com concentração maior ou igual ao limite máximo
instantâneo estabelecido na Resolução CONAMA N° 357/2005 para Coliformes
Fecais em Águas Salinas de Classe 1 (2500 NPM/100ml). ................................. 57
Figura 29: Cenário em situação típica de Inverno. Freqüência de excedência
superior a 20% dos limites estabelecidos na Resolução CONAMA N° 357/2005
para Coliformes Fecais. A isolinha externa mostra o enquadramento para Águas
Salinas de Classe 1 (1000 NPM/100ml). A isolinha do meio mostra o limite do
enquadramento para Águas Salinas de Classe 2 (2500 NPM/100ml) e a isolinha
interna mostra o limite do enquadramento para Águas Salinas de Classe 3 (4000
NPM/100ml). Esta macha demonstrada na figura seria o local com condições de
balneabilidade insatisfatória. Obs.: Os detalhes não estão em escala. ................ 58
Lista de Tabelas
Tabela 1: Vantagens e desvantagens da implantação de um emissário
submarino............................................................................................................... 3
Tabela 2: Explanação dos componentes da equação 1 e 2. ........................... 12
Tabela 3: Explanação da equação 3. .............................................................. 13
Tabela 4: Comparação de estimativas de . Resumido de Chamberlim &
Mitchell (1978) apud Carvalho 2006. .................................................................... 20
Tabela 5: Padrões de balneabilidade adotados pela Resolução CONAMA
n°274/2000, considerando que tal resolução esta contida na CONAMA
n°357/2005. .......................................................................................................... 24
Tabela 6: Áreas da oceanografia e suas atribuições durante as campanhas
oceanográficas. Fonte: Ludwing, 1979. ................................................................ 26
Tabela 7: Constantes harmônicas para estações maregráficas da Ilha João da
Cunha e da Praia da Pinheira. ............................................................................. 29
Tabela 8: Valores recomendados para rugosidade equivalente do fundo no
módulo 2DH. Fonte: Referência Técnica SisBaHiA, 2009. .................................. 30
Tabela 9: Características apresentadas pela malha de elementos quadráticos
finitos adotados no modelo................................................................................... 38
Tabela 10: Valores máximos, mínimos e médios para intensidade de corrente
na região do Campeche. ...................................................................................... 47
Tabela 11: Demonstração dos valores máximos, mínimos e médio encontrados
para o decaimento bacteriano nas duas estações estudadas. ............................. 52
Sumário
1. Introdução ................................................................................................. 1
2. Objetivos ................................................................................................... 5
2.1. Objetivo Geral ........................................................................................ 5
2.2. Objetivos específicos .......................................................................... 5
3. Fundamentação Teórica ........................................................................... 6
3.1. Emissário Submarino .......................................................................... 6
3.2. Campo Próximo e Campo Afastado ................................................... 9
3.2.1. Campo Próximo ........................................................................... 9
3.2.2. Campo Afastado ........................................................................ 10
3.3. Modelagem Computacional .............................................................. 10
3.3.1. Modelagem Hidrodinâmica ......................................................... 10
3.3.2. Modelagem de transporte de efluentes (Lagrangeano Advectivo-
Difusivo) 14
3.3.3. Modelagem do Decaimento Bacteriano – T90 ............................ 17
3.4. Circulação Oceânica ......................................................................... 21
3.5. Legislação CONAMA n°357/2005 .................................................... 23
4. Metodologia ............................................................................................. 24
4.1. Área de Estudo ................................................................................. 24
4.2. Campanhas Oceanográficas ............................................................ 25
4.2.1. Correntes ................................................................................... 26
4.2.2. Maré ........................................................................................... 27
4.2.3. Ventos ........................................................................................ 29
4.2.4. Estratificação da coluna de água ............................................... 29
4.3. Rugosidade do Fundo ...................................................................... 30
4.4. Decaimento Bacteriano (T90) ............................................................ 30
4.5. Concentração e Descarga ................................................................ 33
4.6. Batimetria ......................................................................................... 34
4.7. Modelo Hidrodinâmico ...................................................................... 35
4.8. Condições iniciais de simulação ....................................................... 38
4.9. Validação do Modelo ........................................................................ 39
5. Resultados e Discussão .......................................................................... 40
5.1. Validação e análise do modelo hidrodinâmico .................................. 40
5.2. Elevação do Nível de água ............................................................ 41
5.3. Correntes ....................................................................................... 44
5.4. Escoamento hidrodinâmico do Campeche .................................... 47
5.5. Ventos .............................................................................................. 49
5.6. Decaimento Bacteriano .................................................................... 50
5.7. Estratificação da coluna d’água ........................................................ 53
5.8. Modelo de Transporte Lagrangeano Advectivo/Difusivo .................. 54
6. Conclusão ............................................................................................... 60
7. Considerações Finais .............................................................................. 62
Referências ..................................................................................................... 63
1
1. Introdução
Conforme Tessler & Goya (2005), a extensão do litoral brasileiro é de 8000 km,
compreendido pelos mais variados tipos de sistemas costeiros, abrangendo
praias arenosas, falésias ígneas e sedimentares, estuários, dunas e manguezais.
Apesar de situar-se sobre uma estreita faixa ao longo do globo terrestre, a zona
costeira possui relevância no âmbito econômico e social por conter uma grande
porcentagem de metrópoles, bem como sua representatividade de até 70% no
PIB nacional (FREITAS, 2005).
Essa relevância é determinada pela indispensável fonte energética que
representa, originária da produção de petróleo e gás natural, pelo escoamento da
produção através dos portos, pela produção de alimentos por intermédio da pesca
e aquicultura, bem como, pelos altos índices de ocupação devido a sua
inigualável beleza cênica. Entretanto, os atrativos peculiares somados a
constantes incentivos públicos ao turismo regional, geram aumento excessivo da
ocupação durante o verão, comprometendo a estabilidade do sistema pelo
inconciliável volume de resíduos domésticos e industriais.
Diante desta realidade, surge a preocupação com a influência da ocupação e a
exploração dos recursos sobre a qualidade da água. Assim, fez-se necessário o
reconhecimento perante a legislação brasileira (CONAMA n°357/2005), de que
estas atividades, simultâneas, carecem de diferentes graus de qualidade da água,
(CETESB, 2006). Por isso, a mesma resolução dividiu os corpos de águas salinas
em classes, tendo como a mais restritiva a Classe de Água Especial, seguida das
Águas de Tipo I, II e III. As atribuições da classe de Água Especial é conservação
de ambientes aquáticos em unidades de conservação de proteção integral e; à
preservação do equilíbrio natural das comunidades aquáticas. De classe I é,
recreação de contato primário; proteção de comunidades aquáticas; à aquicultura
e à atividade de pesca. Da classe II é, pesca amadora; e à recreação de contato
secundário. Por fim a classe III possui função apenas de navegação e harmonia
paisagística.
Com sua importância supracitada, aliada a preocupação em manter adequada
a qualidade da água, tornou-se indispensável à criação de alternativas para
redução dos impactos ambientais procedentes do excessivo uso da zona costeira.
Em resposta a esta necessidade, uma alternativa viável para se desfazer de
2
resíduos domésticos e industriais é a instalação de emissários submarinos
integrados ao sistema de tratamento e disposição de esgotos sanitários. Por meio
deste sistema o material é conduzido e lançado no mar.
Já é sabido que o destino final dos esgotos domésticos quase sempre são os
oceanos, através de emissários ou por contribuições difusas de cursos d’água
(CETESB, 2006). Na primeira opção, além desta contaminação ser pontual e
distante da costa, há possibilidade de minimizá-la através do tratamento de seu
efluente. Diante desta conjuntura CETESB (2002), define a existência de quatro
tipos de manejo de efluentes na estação de tratamento, sendo eles: 1) Preliminar
ou pré-acondicionamento; 2) Primário; 3) Secundário; 4) Terciário.
Considerando o tratamento preliminar ou pré-acondicionamento, o efluente
sofre apenas uma separação de resíduos sólidos através de peneiramento ou
gradeamento. No tratamento primário, além do pré-acondicionamento, há a
passagem por um tanque de decantação, onde se reduz em até 70% os sólidos
no efluente. O tratamento secundário tem como finalidade reduzir a demanda
bioquímica de oxigênio (DBO), uma das alternativas para execução desse
processo é através da aeração dos tanques propiciando intensificação da
oxidação da matéria orgânica. Por fim o tratamento terciário, mais complexo,
compreende a redução de nutrientes, substâncias inorgânicas, metais e orgânicos
persistentes com redução drástica da DBO.
A fim de evitar sub ou superestimação do potencial poluente da pluma,
Carvalho (2003) enfatiza a necessidade de compreensão dos processos
oceanográficos envolvendo correntes marinhas e estratificação da coluna de água
por gradientes de densidade (picnoclina) e temperatura (termoclina) do corpo
receptor. Em paralelo a esta afirmação, o mesmo autor adverte que a implantação
de emissários não beneficia somente os seres humanos, mas também a biota
local. Para que isto ocorra com concordância, deve haver fundamentação
criteriosa quanto ao tipo de tratamento que este efluente será submetido, e a
garantia de que a região de despejo encontra-se distante da linha de costa, onde
há baixa densidade de organismos, servindo como abrigo e fonte de alimentos.
Nesse contexto CETESB (2007), adaptado de Knill (1984), demonstra as
vantagens e desvantagens da implantação de um emissário submarino (Tabela
1).
3
Tabela 1: Vantagens e desvantagens da implantação de um emissário submarino.
Vantagens Desvantagens
Eficiência na disposição e
tratamento do esgoto;
Dificuldade na construção do
emissário;
Não causa poluição visual e
problemas de odor (exceto zona
de mistura);
Danos estruturais podem ser
difíceis de reparar;
Custo de capital menor ao
longo da vida útil;
Pode oferecer riscos para a
navegação e pesca;
Custo de manutenção menor; É difícil detectar descargas tóxicas
ilegais;
Requer menor área para
parte terrestre do emissário;
Pode resultar em perda potencial
da qualidade da água (na zona de
mistura);
Requer poucos funcionários
para operação;
Requer estudos de monitoramento
costeiro e inspeção subaquática;
Gasto menor em energia
elétrica;
Pode reunir objeções de
ambientalistas e outros grupos.
O problema da disposição do
lodo é menor;
--------------------------------------------------
Preservação dos rios
costeiros como classe 1.
--------------------------------------------------
Diante do exposto evidencia-se que o emissário que possivelmente venha a
ser instalado na região do Campeche poderá proporcionar uma melhoria na
qualidade de vida e contribuirá com o Índice de Desenvolvimento Humano (IDH)
da região, além de acrescer a taxa de cobertura do saneamento básico no estado
de Santa Catarina, onde este atributo corresponde à ínfima porcentagem de
11,84% (CORSSATTO et al., 2006).
Deste modo, no presente estudo, foi utilizado um modelo computacional para
determinar a dispersão da pluma, bem como seu potencial poluente de um
4
possível emissário localizado na região do Campeche, Florianópolis - SC. O
programa utilizado foi o SisBaHiA® (Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental),
registrado e continuamente melhorado pela Fundação Coppetec – COPPE/UFRJ.
No processo de simulação numérica, a curva de decaimento bacteriano (T90) é um
dos principais agentes na quantificação da eficiência do emissário submarino,
pois trata-se do tempo necessário para reduzir em 90% o número de bactérias
quando comparado com o instante inicial.
A quantificação de coliformes totais na água foi utilizada como variável análoga
para determinação do T90, bem como para comparação com a resolução
CONAMA n°357/2005.
5
2. Objetivos
2.1. Objetivo Geral
Avaliar a dispersão da pluma poluente de um emissário submarino
na região sul de Florianópolis através de modelagem computacional
2.2. Objetivos específicos
Determinar o T90 para a pluma de esgotos;
Determinar a trajetória e concentração da pluma de despejo do
emissário para o campo afastado;
Comparar os resultados obtidos do modelo com a resolução
CONAMA n°357/2005.
6
3. Fundamentação Teórica
3.1. Emissário Submarino
A necessidade de manutenção, bem como adequação da qualidade da água
perante a legislação brasileira pertinente, exigia a criação de alternativas. Deste
modo, CETESB (2003) adotou o emissário submarino como importante
ferramenta para a resolução deste problema.
O emissário submarino pode ser caracterizado por utilizar o potencial de
tratamento e depuração que o corpo receptor possui para diminuir a carga e
compostos que por ventura possam existir, através de, uma estrutura física
hidráulica, conectando a superfície e o corpo de água receptor, divido em cinco
partes: 1) Estação de condicionamento prévio; 2) Emissário terrestre; 3) Câmara
ou chaminé de equilíbrio; 4) Emissário submarino, responsável por carrear os
efluentes pré-condicionados até os; 5) Difusores, que podem ser orifícios ou um
bocal, responsável por lançar ou dispersar o efluente, favorecendo a formação de
um campo ideal de mistura (1/100), (Figura 1).
Figura 1: Comportamento típico de dispersão de efluentes de um emissário submarino. Fonte: Jirka et al., 2006 apud Bleninger & Jirka, 2005.
Há muitos estudos referentes à dispersão de emissários submarino e como
exemplo pode-se citar, Faisst et al. (1990), Roberts & Wilson (1990), Davison et
al. (1993), Wu et al. (1994), Petrenko et al. (1998), e Carvalho et al. (2002).
Dentre as soluções analíticas, destacam-se dois métodos de simulação de
dispersão de efluentes: a dos campos próximo e afastado. A primeira corresponde
à zona de mistura inicial, onde Gregório (2009) descreveu a existência de três
importantes processos: 1) Mistura provocada pelo empuxo positivo do jato; 2)
Interações com os limites (superfície ou picnoclina e fundo); 3) Mistura na camada
7
superficial. Já do campo afastado foi descrito por Carvalho (2003) como sendo o
local onde predomina a turbulência gerada pelas correntes.
A simulação do campo afastado é intrinsecamente ligada ao comportamento
do despejo no campo próximo. Tornando este tipo de previsão específica para
descrever o processo em áreas costeiras e estuários (HILLERBRAND, 2003), aí
surge uma das maiores dificuldades na simulação numérica de despejos de
efluentes: o acoplamento de modelos de campo próximo com o afastado.
Todavia, Zhang (1995), Hillerbrand (2003) e Bleninger & Jirka (2005) apresentam
metodologias para contornar as limitações e tornar possível este acoplamento.
Considerando a proliferação de emissários submarinos ao longo do globo,
serão mencionadas algumas experiências de sua implantação. O maior emissário
teve sua atividade operacional iniciada em 2002 e foi responsável por contribuição
preponderante na recuperação da qualidade das águas superficiais do porto de
Boston, baía de Massachusetts (HUNT et al., 2010).
Outro emissário de destaque é o da cidade de Tilbury, Inglaterra, que tem sua
importância na forma de tratamento, denominada “poço profundo”, onde há
utilização da pressão hidrostática ao fundo de uma coluna de líquido. Através
deste mecanismo aumenta-se significativamente a transferência de oxigênio a
uma solução misturada por circulação rápida. Existente apenas 40 destas plantas
no mundo (Irwin et al., 1989 apud Mandaji, 2008),
No Brasil, o emissário de maior repercussão é o de Ipanema – RJ, justamente
por abranger uma área extremamente nobre e habitada por aproximadamente
quatro milhões de pessoas (CARVALHO, 2003).
Além dos emissários mencionados, segue abaixo o Quadro 1 listando os
principais sistemas de disposição oceânica do Brasil.
8
Quadro 1: Principais sistemas de disposição oceânica brasileiros. Fonte: Gonçalves & Souza, 1997
Analogamente, um emissário submarino se aproxima em muito das
características de uma chaminé (Figura 2).
Sendo que o efluente do emissário, bem como a fumaça da chaminé possuem
densidade diferentes do meio receptor. Os agentes dispersantes para um
(emissário submarino) corresponde às correntes marinhas e para outro (chaminé)
é o vento. A dispersão tanto para o emissário submarino quanto na chaminé são
dívidas em dois momentos, sendo eles campo próximo e campo afastado. Onde o
primeiro corresponde à trajetória do efluente e a mistura no momento da
descarga, controlados pela velocidade de injeção do efluente ou fumaça lançada,
pelo empuxo e a geometria do emissário (difusores) ou da chaminé, e o segundo
faz referência ao campo afastado, sendo que os processos atuantes na dispersão
da pluma do emissário ou da chaminé são advectivos/difusivos e sempre que
construído tal artifício, deve considerar que existe uma região para proteger, que
LocalDiâmetro
Interno (m)
Extenssão
Emissário (m)
Profundidade
Decarga (m)
Vazão
Projeto
(m³/s)
Material
Belem - PA 0,80 320 5 0,60 CONC
Fortaleza - CE* 1,50 2300 15 2,50 CONC
Fortaleza - CE 1,50 3372 15 2,80 AÇO
Salvador - BA 1,75 2420 27 5,20 CONC
Vitória - ES* 1,5 4035 29 2,10 CONC
Niterói -RJ* 1,4 3505 20 2,20 CONC
Ipanema - RJ 2,4 4325 26 12,00 CONC
B. da Tijuca - RJ* 1,5 4000 36 3,50 AÇO
Santos - SP 1,75 4000 10 7,00 AÇO
Poá - RS 1,26 733 12 2,70 AÇO
Manaus - AM 1,00 3600 - 2,20 PAD
Ara - ES 1,00 1100 - 2,00 PPL
Boa Vista - RR 0,35 1250 - - PAD
Legenda:
CONC - Concreto
AÇO - Aço revestido em concreto
PAD - Polietileno de Alta Densidade
PPL - Polipropileno
* - Não Implantado
9
no caso do emissário submarino é a praia e para a chaminé pode ser a praia ou
uma cidade.
Figura 2: Representação esquemática da similaridade de processos ocorridos em uma chaminé com os de um emissário submarino. Fonte: Gonçalves & Souza, 1997
3.2. Campo Próximo e Campo Afastado
3.2.1. Campo Próximo
Neste tópico será descrito os processos físicos predominantes no campo
próximo. Os três principais processos que serão detalhados posteriormente são:
1) Mistura provocada pelo empuxo positivo do jato; 2) Interações com os limites;
3) Mistura na camada superficial.
3.2.1.1. Mistura provocada pelo empuxo positivo do jato
O efluente lançado em uma região submersa causa alterações na velocidade
do ambiente.
De maneira geral, o efluente lançado possui densidade diferente do meio
receptor, uma vez que o efluente doméstico apresenta a mesma densidade
próxima da água doce, conseqüentemente este efluente irá sofrer empuxo
10
positivo quando este entra em contato com a água salgada (maio densidade). A
partir disso, os jatos tendem a perder profundidade até alcançarem o equilíbrio
hidrostático ou a superfície livre, misturando o efluente com o corpo receptor.
Gregório, (2009) menciona em seu trabalho que velocidades diferentes entre
aquela de injeção do efluente e a do meio provocam descontinuidade
(entranhamento) entre ambos fluidos, favorecendo então a formação de muitos
vórtices na parte interna do efluente. A mistura entre o efluente e o meio devido
ao entranhamento causa uma importante diluição inicial do efluente.
3.2.1.2. Interações com os limites
Os limites do oceano são o fundo e a superfície livre. Em alguns casos, em
regiões onde existe estratificação vertical da coluna de água, o limite superior
encontra-se justamente na profundidade da estratificação.
3.2.1.3. Mistura na camada superficial
De acordo com Gregório, (2009) os jatos que alcançam a superfície livre
podem ter o processo de mistura acelerado devido aos vórtices formados em seu
interior. Uma vez que o efluente sofre entrenhamento nessa região e estes
vórtices originam da diminuição abrupta da velocidade do meio causada pelo o
efluente na superfície.
3.2.2. Campo Afastado
O campo afastado é mais simplesmente explicado, uma vez que os processos
atuantes no campo afastado são advecção do efluente, em função da velocidade
do ambiente, uma vez que o efluente encontrou seu equilíbrio, e o único agente
transportador deste efluente é a corrente local e difusão gerada pela turbulência
do corpo receptor.
3.3. Modelagem Computacional
3.3.1. Modelagem Hidrodinâmica
Na dispersão de efluente utilizando emissário submarino, dois processos são
considerados. O primeiro define-se como campo próximo (near-field), ou seja,
processo dependente das condições ambientais existentes (correntes,
estratificação e turbulência do corpo receptor), e o segundo como campo
afastado.
11
Para prever a dispersão das plumas no campo afastado, emprega-se o
programa SisBaHiA®. Rosman (2009), na referência técnica do SisBaHiA®,
explica que o modelo hidrodinâmico determina campos de corrente em corpos
d’água rasos com superfície livre, cujos gradientes de densidade não são
relevantes. O programa permite, ainda, trabalhar com correntes estipuladas na
vertical (módulo 2DH) e/ou conhecer o perfil vertical tridimensional de correntes
(módulo 3D), que é influenciado pelas tensões de atrito na superfície e no fundo.
Ainda Rosman (2009) aponta as três equações, resumidas na sequência,
necessárias para determinar as três variáveis na circulação hidrodinâmica em um
escoamento 2DH integrado na vertical, (ζ, U, V). Pode-se comparar a descrição
dos termos neste item com uma descrição semelhante para o escoamento 3D.
Equação de quantidade de movimento 2DH para um escoamento integrado na
vertical, na direção x:
VsenHy
H
x
H
Hxg
y
UV
x
UU
t
U B
x
S
x
xyxx
2)(
1)()(1
00
(1)
Equação de quantidade de movimento 2DH para um escoamento integrado na
vertical, na direção y:
UsenHy
H
x
H
Hyg
y
VV
x
VU
t
V B
y
S
y
yyxy
2)(
1)()(1
00
(2)
Equação da continuidade (do volume) integrada ao longo da vertical:
0
y
VH
x
UH
t
(3)
Utilizando a equação de quantidade de movimento na direção x como
exemplo, o seguinte quadro explica o significado de cada termo na Equação 01 e
Equação 02. Evidentemente, o significado dos termos semelhantes na equação
de quantidade de movimento na direção y é o mesmo.
12
Tabela 2: Explanação dos componentes da equação 1 e 2.
t
U
Representa a aceleração local do escoamento,
i.e., em uma dada posição, a taxa de variação
temporal do fluxo de quantidade de movimento 2DH
por unidade de massa. Em escoamentos
permanentes, esse termo é igual a zero.
y
UV
x
UU
Representa a aceleração advectiva do
escoamento, i.e., em um determinado instante,
esses termos representam a taxa de variação
espacial do fluxo de quantidade de movimento 2DH
na direção x por unidade de massa. Em
escoamentos uniformes, esses termos são iguais a
zero.
xg
Representa a pressão hidrostática resultante na
direção x (gradiente de pressão), devido à
declividade da superfície d’água na direção x.
Conforme indicado pelo sinal negativo, o
escoamento tende a ser de lugares onde o nível da
água é mais alto para lugares onde o nível da água
é mais baixo.
y
H
x
H
H
xyxx
o
)()(1
Representa a resultante das tensões dinâmicas
turbulentas 2DH no escoamento. Por exemplo,
esses termos são responsáveis pela geração de
vórtices horizontais em zonas de recirculação.
Vsen2 Representa a força de Coriolis devido ao fato do
referencial estar se movimentando na superfície da
Terra.
S
xoH
1 Representa a tensão do vento na superfície livre
por unidade de massa. Se o vento estiver na
mesma direção do escoamento, esse termo irá
acelerar o escoamento; se estiver oposto, irá
retardar o escoamento.
13
B
xoH
1 Representa a tensão de atrito no fundo atuante
no escoamento por unidade de massa. Conforme
indicado pelo sinal negativo, esse termo sempre
tende a desacelerar o escoamento. É sempre
oposto ao escoamento.
Para a equação da continuidade 2DH, tem-se:
Tabela 3: Explanação da equação 3.
y
HV
x
HU
t
h
Evidentemente, possui o mesmo significado da
equação semelhante no módulo 3D. Entretanto,
reescrevendo da forma que está escrita à esquerda,
pode-se observar que a altura da coluna d’água
(ζ+h) varia no tempo como resultado dos fluxos
efetivos através da coluna d’água nas direções x e
y respectivamente, y
HVe
x
HU
.
Como exemplo, considera-se o caso de escoamento permanente e uniforme
na direção x em um canal largo e longo, sem a ação do vento. A partir das
explicações dadas acima, observa-se que a Equação 03 ficaria reduzida a:
B
xoHx
g
10
(4)
Substituindo a definição de tensão de atrito, obtêm-se:
Hx
CUHx
UHx
UU hhh CC
222
(5)
No escoamento permanente e uniforme, em canal largo e longo, a declividade
da superfície livre é aproximadamente a mesma que a do fundo (I), ou seja,
Ix
. Além disso, o raio hidráulico do canal é aproximadamente igual à
profundidade média da seção transversal, ou seja, H≈Rh. Dessa forma, utilizando
também a relação entre os coeficientes de Chézy e Manning o resultado anterior
pode ser escrito como:
14
Manning
h
h
Chézy
hhh IRn
RUIRCUH
xCU
6/1
(6)
Essas são as conhecidas equações de Chézy e Manning para escoamento em
condutos livres abertos. Observa-se que essas duas equações são, na verdade,
formas simplificadas das equações de Navier–Stokes, que por sua vez,
representão nada mais nada menos do que a segunda lei de Newton escrita em
um referencial Euleriano.
3.3.2. Modelagem de transporte de efluentes (Lagrangeano Advectivo-Difusivo)
Rosman (2009), na referência técnica do Sisbahia® cita as características do
modelo Lagrangeano Advectivo-Difusivo bem como as suas formulações, que são
descritas na sequência.
Este modelo apresenta grande vantagem por utilizar as correntes simuladas no
modelo hidrodinâmico, sem restrições em relação aos limites impostos pelo
modelo. Deste modo, o modelo pode ser aplicado a problemas de pequena escala
em relação ao domínio modelado, bem como altos gradientes de concentração.
Para sua aplicação, a pluma contaminante é representada por partículas
lançadas na região fonte, com o mesmo intervalo de tempo entre as dispersões.
Para tal, as partículas são lançadas aleatoriamente e, então, são advectadas pela
corrente calculada pelo modelo hidrodinâmico.
Os caminhos que as partículas percorrem se dão através da soma de uma
componente advectiva determinística e outra aleatória, que reproduz o efeito da
difusão turbulenta. A posição da partícula, 1nP , no instante de tempo tn )1( é
calculada a partir de uma expansão de série de Taylor partindo da posição
anterior nP no instante tn .
TAO
nnnnn
dt
Pdt
dt
Pdt
dt
dPtPP ...
!3.
!2 3
33
2
221
(7)
Onde: T.A.O. são termos de alta ordem desprezados. Adotam também que, as
partículas deslocam-se na mesma velocidade das correntes do corpo receptor e
as derivadas temporais da posição são obtidas a partir do campo de velocidades
calculado pelo modelo hidrodinâmico (2DH ou 3D) da seguinte forma:
15
),,( WVUV
dt
dP (8)
z
VW
y
VV
x
VU
t
V
dt
Vd
dt
Pd
2
2
(9)
Ainda pode-se acrescentar um termo de aceleração na determinação da
posição, o que proporciona um intervalo de tempo bem maior e com uma boa
acurácia. Após determinada a posição da partícula, tem se a opção de introduzir
um desvio aleatório, este causado pelos movimentos em escalas não resolvíveis
que geram velocidades difusivas. A magnitude deste desvio é função das
derivadas espaciais das difusividades turbulenta (equações 10, 11 e 12). Para
compreender este processo segue a equação de transporte Euleriano:
(10)
(11)
(12)
Como visto no esquema acima, as “velocidades difusivas” são de fato função
da variação espacial da difusão turbulenta.
Para determinar a dispersão da pluma, o modelo estabelece uma grade de
distribuição do contaminante. A partir da distribuição de massa da pluma por cada
célula da grade, a concentração de cada célula e dada pela razão entre a massa
de contaminante da determinada célula pelo seu volume. Se a mancha associada
a uma partícula é grande em relação ao tamanho das células, pode-se usar uma
função Gaussiana.
16
2
2
2
2
2
2 )()()(exp),(
z
i
y
i
x
i
ii
zzyyxxyxf
(13)
Onde: as variâncias relacionam-se com os coeficientes de dispersão através
de:
dt
dD
yx
yx
2
,
,2
1
(14)
A massa equivalente de contaminante em cada partícula lançada pela fonte é
dada por:
P
ee
N
tCQM
0
(15)
Onde: t
NP
é o número de partículas lançadas por unidade de tempo, eQ e eC
são a descarga e a concentração do efluente na fonte, respectivamente. Em um
determinado instante após o lançamento da partícula de massa 0M , a parcela de
massa im na posição ii yx é dada por:
N
n
nn
ii
iii
yxf
yxftMyxm
1
),(
),()(),(
(16)
A massa da partícula irá variar em função do tempo se houver reações
cinéticas de produção e consumo. No caso das bactérias indicadoras, um
decaimento de primeira ordem é usualmente especificado como:
)exp()( 0 vtkMtM (17)
Onde: vt é o tempo de vida da partícula e k é o coeficiente de decaimento
bacteriano.
17
3.3.3. Modelagem do Decaimento Bacteriano – T90
Esta variável é relativamente bem conhecida e discutida na literatura. Deste
modo, é relativamente bem conhecido o comportamento das bactérias quando
deixam o organismo de animais de sangue quente e são despejadas em um
ambiente mais hostil (água com alta salinidade), estas começam a sofrer
mortandade. Além destes, vários outros fatores estão associados ao processo de
decaimento bacteriano, podendo citar: fatores físicos (diluição através de
correntes, ventos, correntes de maré e etc.), foto-oxidação (maior
representatividade no processo de decaimento bacteriano), radiação solar,
temperatura da água, adsorção, floculação, coagulação e sedimentação. Tal
desfecho é estabelecido pelos processos físico-químicos, bem como gradiente de
salinidade e pH e fatores biológicos (predação, nível de nutrientes, vírus
bacteriófagos, algas e presença de materiais fecais) (McFETERS; STUART,
1972; BELLAIR et al., 1977; CHAMBERLIN; MITCHELL, 1978; MANCINI, 1978;
FUJIOKA et al., 1981; McCAMBRIDGE; McMEEKIN, 1981; KAPUSCINSKI;
MITCHELL, 1981; EVISON, 1988; EL-SHARKAWI et al., 1989; ALKAN et al.,
1995; CANTERAS et al., 1995; YANG, et al. 2000; JANNASCH, 1968, apud
CARVALHO et al, 2006).
Há possibilidade de ocorrer um aumento destas bactérias na coluna de água
adjacente, através da ressuspensão de sedimentos, potencializando a reprodução
destas em ambiente marinho (THOLMANN; MUELLER, 1987).
Deste modo, Chamberlin & Mitchell (1978) apud Carvalho (2006) descrevem
um modelo de decaimento bacteriano, onde a única variável é a luminosidade, e a
extinção vertical de luz na coluna de água é exponencial, conforme mostra a
equação 18.
(18)
k= Taxa de decaimento bacteriano (hora-1);
kt= Coeficiente de proporcionalidade que mede a sensibilidade de um
organismo especifico (cm2/cal);
Io= Intensidade de luz descendente na superfície da água (cal/(cm2 .hora));
= Coeficiente de atenuação vertical da luz a água do mar (m-1);
Z= Profundidade de Sechhi (m)
18
Porém, esta fórmula apresentava uma limitação, algo que não representava a
pluma como um todo, nem pluma em ambientes estratificados. Diante disto,
tornou-se necessária a introdução de um novo termo (H – Espessura da pluma),
bem como uma simplificação considerando-se a pluma homogênea, o que é
representado na equação 19.
(19)
Esta fórmula considera o decaimento bacteriano médio ( , tendo unidade
representada por hora-1) dentro da pluma, onde esta está limitada a H metros de
profundidade.
Não é possível representar a estratificação, já que, como a pluma encontra-se
a certa profundidade, a luz que por ventura chegue ao seu topo já sofreu
diminuição ao longo da coluna de água. Deste modo a equação 20 e a Figura 3
demonstram esquematicamente a condição a ser modelada.
(20)
Aplicando as simplificações chega-se a seguinte equação, equação 21
(21)
Onde:
= Profundidade do topo da pluma;
= Espessura da pluma;
= Intensidade da luz no topo da pluma (cal/(cm2.hora));
= Coeficiente de atenuação vertical da luz dentro da pluma (m-1).
19
Figura 3: Esquema proposto para a modelagem do decaimento bacteriano. O mesmo é promediado para espessura da pluma, He, a partir da luminosidade que alcança a profundidade do topo Ze. Fonte: Carvalho, 2006.
Chamberlin & Mitchell (1978) apud Carvalho (2006), também apresentam
coeficientes de proporcionalidade para diversos organismos. Este parâmetro
expressa a sensibilidade dos organismos a foto-oxidação, a Tabela 4 apresenta
esses valores.
20
Tabela 4: Comparação de estimativas de . Resumido de Chamberlim & Mitchell (1978) apud Carvalho 2006.
Mancini (1978) apud Carvalho (2006), aprimorou a formulação de Chamberlin
& Mitchell (1978), uma vez que, em sua formulação, acopla a salinidade e a
temperatura, mas desconsidera o termo .
(22)
Onde:
= Porcentagem em relação à salinidade padrão;
= Temperatura (ºC);
= Radiação incidente na superfície (cal/(cm2hora)).
Neste contexto, Carvalho et al.(2006) apresentam uma formulação que une as
duas equações acima discutidas, sendo que a parte respectiva a temperatura e
21
salinidade, origina-se da equação de Mancini (1978) e Chamberlin & Mitchell
(1978) fornecem o termo respectivo a luminosidade. Segundo os autores, o
decaimento bacteriano é dado por:
HeZe
p
ZetT
ITSHeZepp ee
He
Ikáguadomark
107,1)(%006,08,0)(20
,,,, (23)
Onde:
k = taxa de decaimento bacteriano (hora-1);
Ze= profundidade do topo da pluma (metros);
He = espessura da pluma (metros);
T = Temperatura (°C);
ZeI = Intensidade da luz no topo da pluma (cal/(cm2.hora));
p = coeficiente de atenuação vertical da luz dentro da pluma (m-1);
= coeficiente de atenuação vertical da luz na água do mar (m-1);
tk = coeficiente de proporcionalidade que mede a sensibilidade de um
organismo específico (cm2/cal);
3.4. Circulação Oceânica
Um zoneamento existente na região oceânica em frente ao Brasil, denomina-
se Plataforma Continental Sudeste Brasileira (PCSB), que, segundo Castro Filho
& Miranda (1998), é limitada ao norte pelo Cabo Frio – RJ sobre a latitude de
23°S, a sul pelo Cabo de Santa Marta Grande – SC na latitude de 28°40’S, a leste
pelas isóbatas que variam de 120 a 180 metros de profundidade e a oeste pela
costa do Brasil. As isóbatas deste zoneamento assumem uma forma côncava
com orientação NE-SO (Nordeste-Sudoeste), aquém, Carvalho (2003) adverte
que existem duas intervenções nessa distribuição: uma é a orientação do litoral
do Rio de Janeiro, que assume uma direção de E-O (Leste-Oeste) e outra em
Santa Catarina com orientação N-S (Norte-Sul).
Um trabalho realizado no âmbito de massas d´água sobre a PCSB foi
realizado por Emilson, (1961), onde caracterizaram-se quatro diferentes massas
d’água: Água Tropical (AT), Água Continental (AC) e Água Central do Atlântico
Sul (ACAS).
Para AT a temperatura e salinidade são maiores que 20° e 36,4,
respectivamente. Isto representa uma massa d’água bastante influenciada pelo
22
aporte continental, portanto sem características definidas. Para ACAS tanto a
temperatura quanto a salinidade são menores que os valores impostos pela AT e
a Água de plataforma não teve características desta massa de água apresentadas
pelo autor. Após Emilson, (1961), Matssura, (1986) apresentou
esquematicamente a distribuição das massas de água sobre a PCSB,
demonstrada na Figura 4.
Figura 4: Reprodução esquemática da estrutura de massas d’água na Plataforma Continental Sudeste do Brasil, nas situações de inverno e verão (modificado de Matsuura, 1986).
Em relação ao esquema antigo, nos estudos mais recentes, como no de
Castro Filho (1987), a AP não é definida como uma massa de água específica e
sim como uma mistura das outras três (AC+AT+ACAS). O mesmo autor ainda
recomenda que a PCSB seja subdivida em PI (Plataforma Interna) e PE
(Plataforma Externa). No entanto, a primeira seria delimitada pela costa brasileira
e as isóbatas de 40 a 50 metros de profundidade, ocorrendo nesta área uma
estratificação de salinidade e temperatura. Este fato ocorre pela infiltração da
ACAS por sobre a PCSB, acarretando em um termoclina sazonal.
23
No entanto, a circulação ocorrente sobre a PCSB foi descrita por Mesquita
(1983) apud Mesquita (1997) e apresenta um fluxo residual com direção
Sudoeste, visto na Figura 5.
.
Figura 5: Distribuição esquemática das correntes de superfície da PCSB. Fonte: Mesquita, 1983.
Em todo caso, a Corrente do Brasil é representada pela área mais escura na
Figura 5, onde as setas indicam o sentido mais provável, bem como os prováveis
vórtices no sentido horário e anti-horário. Embora as correntes de maré sejam
representadas pelas setas curvilíneas, as tracejada representam áreas com
corrente de maré não predominante, as cheias representam valores significativos
em relação aos movimentos da água ocasionados por vento, densidade ou outros
fatores.
3.5. Legislação CONAMA n°357/2005
A legislação CONAMA n°357/2005 foi a base de comparação para os dados
obtidos neste trabalho. O documento define e classificar os tipos de água, bem
como delimita concentrações permitidas.
Há quatro classes de água nesta resolução, que são: Águas doces (salinidade
igual ou inferior a 0,5%), águas salobras (água com salinidade superior a 0,5% e
inferior a 30%) e águas salinas (salinidade igual ou superior a 30%).
24
Como não existe uma legislação específica para emissários submarinos no
Brasil, adotaram-se os parâmetros de classificação de água da resolução
CONAMA n°357/2005, e padrões de balneabilidade da CONAMA n°274/2000, que
se insere na resolução mais atual (Tabela 5).
Tabela 5: Padrões de balneabilidade adotados pela Resolução CONAMA n°274/2000, considerando que tal resolução esta contida na CONAMA n°357/2005.
Categoria
Coliformes Fecais (NMP/100ml)
Excelente < 250 em 80% do tempo
Própria Muito Boa < 500 em 80% do tempo
Satisfatória < 1000 em 80% do tempo
Imprópria > 1000 em mais de 20% do
tempo
Para melhor compreensão do leitor, optou-se por apresentar a resolução
CONAMA n°357/2005 por inteiro no.
4. Metodologia
4.1. Área de Estudo
A planície do Campeche, localizada a sudeste da Ilha de Florianópolis, conta
com uma área aproximada de 50 km2. O potencial hídrico da Ilha de Florianópolis
foi descrito por Caruso Jr (1993), que divide a hidrografia local em três bacias: Rio
Ratones, Rio Tavares e Rio Itacorubi. Sobre a Bacia Hidrográfica do Rio Tavares
está à planície do Campeche.
Villanueva (2003) define os limites da região do Campeche em seu trabalho:
ao norte a restinga da Joaquina, sul com a região da Lagoa do Peri, leste com o
oceano Atlântico e a oeste com o Maciço da Costeira. A linha de costa e o
gradiente de batimetria apresentam orientação Sudoeste-Nordeste, sofrendo
modificação apenas, entre as Ilhas de Florianópolis e Campeche (Figura 6, e
Figura 12).
25
Figura 6: Localização da área de estudo e difusores do emissário submarino.
Conforme visto na Figura 6, a região de instalação do emissário está
localizada em mar aberto, onde a descarga do efluente será feita com distância
de aproximadamente três quilômetros da linha de costa (Praia do Campeche).
Para determinar as variáveis ambientais de possível interferência na dispersão
da pluma, foi efetuada uma campanha mensal para quantificar correntes, e uma
para determinar a estratificação da coluna de água. A campanha que teve como
objetivo quantificar correntes marinhas ocorreu durante 22/03/2007 a 22/04/2007.
Enquanto a que visava identificar a diferença de densidade ao longo da coluna de
água, foi efetuada em 22/02/2010 a 07/04/2010.
4.2. Campanhas Oceanográficas
Ludwing (1979) em seu trabalho lembra que os emissários submarinos, antes
de sua instalação, devem realizar campanhas oceanográficas, a fim de
dimensionar com precisão a dispersão da pluma poluente.
Além de envolver todos os ramos da oceanografia, estas devem ser realizadas
simultaneamente. As atividades respectivas a cada área serão descritas na
Tabela 6.
26
Tabela 6: Áreas da oceanografia e suas atribuições durante as campanhas oceanográficas. Fonte: Ludwing, 1979.
Oceanografia Física Ventos; Correntes;
Ondas; Marés; Estratificação da
coluna de água.
Oceanografia Química OD (Oxigênio Dissolvido);
Ortofosfatos; Nitratos; Clorofila-
A; Sólidos em suspensão;
Gorduras; pH; Transparência;
Colimetria (praias).
Oceanografia Geológica Topografia; Identificação
do tipo de fundo, Dinâmica de
sedimento; Perfis praias.
Oceanografia Biológica Decaimento Bacteriano
(T90); Estudo de plânctons e
bentos.
Considerando que este trabalho refere-se à oceanografia física.
4.2.1. Correntes
A fim de quantificar as correntes marítimas foi utilizado um ADCP (“Acoustic
Doppler Current Profiler”), que está representado na Figura 7. Este equipamento
foi fundeado nas coordenadas, -27° 25' 26,59047" e -48° 22' 44,02956", em
latitude e longitude, respectivamente. Estas coordenadas estão localizadas sobre
Datum WGS 84.
O ADCP ficou posicionado durante os dias 22/03/2007 a 22/04/2007 à
profundidade de aproximadamente 20 metros e configurado para a coleta de
células a cada metro de coluna d’água com intervalo de 20 minutos, onde cada
valor armazenado não corresponde a uma medida instantânea, e sim a uma
média de 2 minutos anterior a amostragem.
27
Figura 7: Equipamento utilizado para aquisição dos valores de correntes.
Os dados foram submetidos a uma análise de consistência, a fim de detectar
valores espúrios, bem como corrigir a declinação magnética para a região no
período amostrado (17,98° Oeste). Em posse dessas informações, as análises
dos dados de corrente foram desenvolvidas em ambiente Matlab, que
compreende análise espectral simples, proposta por Carvalho (2003), e também
análise de consistência da série temporal, a fim de eliminar qualquer valor
espúrio.
Por fim, vale salientar que os dados utilizados neste trabalho correspondem a
uma região que dista em muito da região de interesse, bem como apresenta
características oceanográficas distintas b, ou seja, foram coletados valores de
correntes na Praia dos Ingleses (Norte de Ilha de Florianópolis) e a área de
interesse é a Praia do Campeche (Centro-Sul da Ilha de Florianópolis).
4.2.2. Maré
As séries de maré correspondem a dois pontos de coleta, uma na Enseada da
Praia da Pinheira (Sul do domínio de modelagem) e outra na Ilha João da Cunha
(Norte do domínio de modelagem), posicionadas sobre o DATUM WGS 84 e uma
projeção cartográfica nas posições 27° 53.0’ 4.20” S e 048° 35.0’ 30.12” W 27°
8.0’ 37.32” S e 048° 32.0’ 40.20” W, respectivamente.
28
Em seguida estas séries foram submetidas a um filtro passa-baixa quadráticas,
confeccionado por Emery & Thomson (1998) e modificado por Carvalho (2002).
Este filtro propicia a eliminação das altas frequências, ou seja, maré astronômica.
Para filtrar a série de dados, utilizou-se um intervalo de amostragem de 20
minutos (o intervalo de tempo que o equipamento foi configurado para coletar
dados) e um período de corte de 40 horas (1,67 dias). Segundo Carvalho (2003),
neste contexto, períodos menores do que 0,3 ciclos.por.dia (3,3 dias) não são
afetados, embora ciclos maiores que 0.8 c.p.d (30 horas) são eliminados. Para
obter a maré astronômica, foram diminuídos, da série bruta, os valores filtrados.
Estes dados, também foram submetidos à análise espectral, com objetivo de
facilitar a compreensão dos fenômenos ali ocorrentes, já que com esta ferramenta
(analise espectral) há demonstração da amplitude do fenômeno em cada classe
de frequência.
Os valores de maré de cada local foram submetidos à análise harmônica de
maré, objetivando a identificação das constantes harmônicas presentes na região.
A análise da maré foi efetuada no próprio SisBaHiA®, que possui um módulo
baseado nas rotinas propostas por M. Foreman do Institute of Ocean Sciences,
British Columbia. Tais rotinas também constituem a base do sistema TOGA
utilizada pela Universidade de Honolulu – Hawaii para o controle de qualidade dos
dados do programa GLOSS (Global Sea Level Observing System), o qual é
gerenciado pelo IOC (Intergovernmental Oceanographic Commission) com o
patrocínio da UNESCO. Acredita-se, atualmente, que esse conjunto de rotinas é o
mais largamente utilizado em todo o mundo para a análise e previsão de dados
de marés (ROSMAN, 2009).
Com objetivo de conhecer as constantes harmônicas nas estações
maregráficas da Praia Pinheira e da Ilha João da Cunha, utilizaram dos dados de
elevação do nível de água referentes aos dias 22/03/2007 a 22/04/2007. Essas
constantes estão sumarizadas na Tabela 7.
29
Tabela 7: Constantes harmônicas para estações maregráficas da Ilha João da Cunha e da Praia da Pinheira.
4.2.3. Ventos
Com o objetivo de caracterizar o padrão dos ventos ao largo da Ilha de Santa
Catarina, foi obtido, junto a EPAGRI (Empresa de Pesquisa Agropecuária e
Extensão Rural de Santa Catarina) dados de velocidade e direção dos ventos
relativos à estação meteorológica instalada na Ilha do Arvoredo (27° 17.0’ 45.0” S
e 048° 21.0’ 22.0” W) a 73 metros de altitude, no mesmo período da campanha
que possui objetivo de quantificar correntes marinhas.
4.2.4. Estratificação da coluna de água
A estratificação da coluna é mensurada a partir de informações dos termistores
distribuídos ao longo da coluna de água. Desta forma foi aplicada uma linha com
8 termômetros equiespaçados em 3 metros e configurados para armazenar
Constante Periodo (s) Amplitude (m) Fase (grau) Constante Periodo (s) Amplitude (m) Fase (grau)
Mm 2380713.365 0.1138 345.68 MSf 1275721.423 0.02 226.719
MSf 1275721.423 0.0122 136.35 2Q1 100822.4008 0.0166 50.217
alpha1 104661.5988 0.005 330.52 Q1 96726.08376 0.0411 67.769
2Q1 100822.4008 0.0032 61.84 O1 92949.6301 0.11 75.195
Q1 96726.08376 0.0229 53.11 M1 89399.69357 0.0093 112.607
O1 92949.6301 0.1034 72.15 K1 86164.09058 0.0512 120.378
M1 89399.69357 0.0058 131.01 J1 83154.51628 0.0031 287.608
K1 86164.09058 0.0703 117.95 OO1 80301.86721 0.0021 25.209
J1 83154.51628 0.0041 213.37 KQ1 77681.65186 0.002 151.938
OO1 80301.86721 0.0027 298.25 N2 45570.05357 0.0425 149.169
KQ1 77681.65186 0.0004 129.61 M2 44714.16431 0.1717 65.837
MNS2 47258.16272 0.0026 50.46 S2 43200.00002 0.162 46.369
mu2 46338.32735 0.0173 57.06 KJ2 42316.2782 0.0047 6.779
N2 45570.05357 0.0347 149.76 MO3 30190.69067 0.0036 280.644
M2 44714.16431 0.1791 61.48 M3 29809.44289 0.0183 133.935
L2 43889.83274 0.0145 338.1 MK3 29437.70382 0.0073 327.712
S2 43200.00002 0.0959 42.95 SK3 28773.74003 0.0079 116.601
KJ2 42316.2782 0.0064 48.73 MN4 22569.02603 0.0205 336.78
MO3 30190.69067 0.007 3.62 M4 22357.08217 0.0282 27.116
M3 29809.44289 0.0179 163.55 MS4 21972.02139 0.0155 98.786
MK3 29437.70382 0.0152 19.63 S4 21600 0.0015 284.013
SK3 28773.74003 0.003 215.11 2MK5 17751.16878 0.0031 211.397
MN4 22569.02603 0.0114 350.01 2SK5 17270.54296 0.0021 24.839
M4 22357.08217 0.0294 24.07 2MN6 14998.622 0.0021 103.24
SN4 22176.694 0.0059 14.41 M6 14904.72144 0.0007 190.772
MS4 21972.02139 0.0094 107.24 2MS6 14732.59513 0.0069 183.803
S4 21600 0.0021 73.95 2SM6 14564.39902 0.0043 229.861
2MK5 17751.16878 0.0059 253.4 3MK7 12706.70687 0.0014 212.766
2SK5 17270.54296 0.0032 289.98 M8 11178.54108 0.0042 24.991
2MN6 14998.622 0.001 236.54 - - - -
M6 14904.72144 0.0041 176.7 - - - -
2MS6 14732.59513 0.0036 148.23 - - - -
2SM6 14564.39902 0.001 88.3 - - - -
3MK7 12706.70687 0.0023 152.25 - - - -
M8 11178.54108 0.0006 355.97 - - - -
Ilha João da Cunha Pinheira
30
informações a cada 10 minutos. Sua extremidade inferior foi fixada junto ao fundo,
e a superior presa em uma boia a 2 metros de profundidade, para manter o cabo
tencionado. O posicionamento se deu nas coordenadas, 752615,86 m e
6936949,17 m, em longitude e latitude, respectivamente, as quais estão
localizadas sobre a zona 22J no Hemisfério Sul da projeção UTM (Universal
Transverso de Mercator) e Datum WGS 84.
4.3. Rugosidade do Fundo
Para a região estudada foi utilizada rugosidade de 0,0285m, ou seja, a média
aritmética do intervalo 0,0070 < < 0,0500 metros, que corresponde a categoria
“Leito com transporte de sedimentos”, definida a partir da Tabela 8 (Rosman,
2009).
Tabela 8: Valores recomendados para rugosidade equivalente do fundo no módulo 2DH. Fonte: Referência Técnica SisBaHiA, 2009.
4.4. Decaimento Bacteriano (T90)
Para o cálculo do decaimento bacteriano, foi obtido junto a Empresa de
Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina S. A. (EPAGRI),
31
dados relativos à incidência de luz solar na superfície de uma região próxima à
área de interesse.
Os valores de extinção vertical de luz na coluna d’água foram retirados do
Estudo de Impacto Ambiental e estudo oceanográfico para emissários submarinos
de esgoto tratado do SES Lagoa da Conceição (praia da Joaquina). Sendo que
esta variável foi quantificada com discos de Secchi ao largo da Praia da Joaquina,
seguido de um ajuste ao histograma de profundidades de Sechii (Figura 8). A fim
de permitir uma aleatoriedade de números que seguem, esta distribuição ajustou-
se a um modelo de Weibull, para proporcionar valores randômicos de
profundidade de Sechii. Tal procedimento, embora não reproduza a profundidade
de Secchi real, permite incorporar a variabilidade estatística desta variável
aleatória na série temporal do T90.
Figura 8: Histograma de profundidades de Sechii obtidas ao largo Praia da Joaquina durante a fase de diagnóstico ambiental. O mesmo variou de 2 a 13 metros no período com pico entre 3 e 4 metros. Uma função densidade de probabilidade tipo Weibull foi ajustada ao histograma para geração de números randômicos que seguem essa distribuição.
O T90 é função de algumas variáveis, sendo estas: luz solar e temperatura.
(24)
HeZe
p
ZetT
ITSHeZepp ee
He
Ikáguadomark
107,1)(%006,08,0)(20
,,,,
Onde:
k = taxa de decaimento bacteriano (hora-1);
Ze= profundidade do topo da pluma (metros);
He = espessura da pluma (metros);
T = Temperatura (°C);
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Profundidade de Sechii (m)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Fre
qu
ên
cia
de
Oco
rrê
ncia
Função Weibull ajustada
32
ZeI = Intensidade da luz no topo da pluma (cal/(cm2.hora));
p = coeficiente de atenuação vertical da luz dentro da pluma (m-1);
= coeficiente de atenuação vertical da luz na água do mar (m-1);
tk = coeficiente de proporcionalidade que mede a sensibilidade de um
organismo específico (cm2/cal);
Para o cálculo do decaimento bacteriano optou-se por assumir a coluna de
água homogênea, permitindo a pluma permanecer sempre à superfície e com
espessura de 14 metros. Foram utilizados valores referentes ao mês de Janeiro
(Verão) e Julho (Inverno) de 2007, e essa aproximação foi adotada por se tratar
do único período onde constava uma série de dados de interesse (Figura 9).
Figura 9: Séries de radiação solar na superfície do mar dos meses de janeiro e julho de 2007, representando o verão e o inverno respectivamente. Valores esses adotados no cálculo do decaimento bacteriano.
Valores de salinidade e temperatura também foram constantes, adotando-se
as características do litoral catarinense, como descrito por Carvalho et al. (1998)
Através destas variáveis foram determinadas duas curvas de decaimento
bacteriano, uma para o inverno e outra para verão.
0.00000
20.00000
40.00000
60.00000
80.00000
100.00000
120.00000
(cal/cm
2.h
ora
)
Janeiro 2007
Radiação Verão
0.00000
20.00000
40.00000
60.00000
80.00000
100.00000
120.00000
(cal/cm
2.h
ora
)
Julho de 2007
Radiação Inverno
33
4.5. Concentração e Descarga
A fim de mensurar a concentração e a vazão dos efluentes lançados por um
suposto emissário submarino na região do Campeche, foi obtido junto à empresa
interessada (CASAN – Companhia Catarinense de Água e Saneamento), valores
de concentração e Escherichia coli e enterococos existentes em suas estações de
tratamentos.
A partir destes dados, efetuou-se uma análise estatística, visando identificar a
concentração mais realística a ser inserida na simulação numérica, para não
utilizar o valor usual (108 NPM/100 ml) nem a máxima concentração encontrada
nas estações de tratamento, objetivando a simulação mais próxima da realidade.
Deste modo, efetuou-se uma análise estatística desses valores para gerar uma
possível série de valores correspondentes as concentrações encontradas.
Esta análise é composta de uma função densidade de probabilidade Weibull,
ajustada ao logaritmo das concentrações (Figura 10). A partir desse modelo, é
possível criar uma série randômica que segue esta distribuição.
Figura 10: Histograma das concentrações de Escherichia coli nas estações de tratamento da CASAN (n=160). Fonte: Estudo de Impacto Ambiental e estudo oceanográfico para emissários
submarinos de esgoto tratado do SES Lagoa da Conceição (praia da Joaquina).
1.0
E+
00
0
1.0
E+
00
1
1.0
E+
00
2
1.0
E+
00
3
1.0
E+
00
4
1.0
E+
00
5
1.0
E+
00
6
1.0
E+
00
7
1.0
E+
00
8
1.0
E+
00
9
1.0
E+
01
0
1.0
E+
01
1
1.0
E+
01
2
Concentração Scherichia Coli (NPM/100 ml)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Fre
qu
ên
cia
de
oco
rrê
ncia
34
Em posse dos dados de Escherichia coli, adotou-se uma aproximação para
Coliformes. Considerando as concentrações aceitáveis dos dois organismos na
Resolução CONAMA N°357/2005, foi encontrada uma relação entre eles
(Coliformes 25% superior a Escherichia coli) e aplicou-se esta à série randômica
de concentração, ou seja, em qualquer momento da simulação, a concentração
de Coliformes está 25% acima da Escherichia coli.
O valor de descarga utilizado foi retirado do projeto executivo de construção do
emissário submarino da Praia do Campeche (2.20 m3/s). Esta série de descarga
considera a descarga de projeto como a média e varia em 20% para os horários
de pico e o de menor demanda (Figura 11).
Figura 11: Série de descarga adotada na simulação numérica
4.6. Batimetria
A fim de mensurar a batimetria da área de estudo, foram digitalizadas cartas
náuticas referentes à área de estudo, seguindo da extração de valores destas. As
Cartas Náuticas utilizadas serão da DHN nº 1900, 1902, 1903, 1904 e 1905. Além
destas, o Laboratório de Oceanografia Geológica da UNIVALI, em seu contínuo
levantamento de dados batimétricos da costa de Santa Catarina, cedeu
gentilmente a batimetria da área de estudo (compilação de dados primários e
secundários, não havendo uma época específica do levantamento batimétrico),
que está disposta na Figura 12.
35
Figura 12: Batimetria da região do Campeche, e conseqüentemente da área modelada. A cruz preta sobre a Ilha do Campeche e profundidade de 30 metros, indica a posição dos difusores.
4.7. Modelo Hidrodinâmico
Para execução do modelo hidrodinâmico SisBaHiA®, Rosman (2009) sugere
um diagrama explicando os processos necessários (Figura 13). Deste modo
tornou-se necessário confeccionar um domínio de modelagem, ou seja, área onde
o modelo atuou, contendo as áreas de interesse e adjacente, para evitar a não
simulação de uma possível interferência local.
36
Figura 13: Diagrama do processo de modelagem em recursos hídricos. A parte realçada é a rota usual. Fonte: Rosman, 2009.
Dentro do domínio, torna-se necessário a criação de uma malha quadrática de
elementos finitos. Elaborada no programa Argus One® e que subsidia os cálculos
do modelo (Figura 14). Suas características são demonstradas na Tabela 9.
37
Figura 14: Malha de elementos quadráticos finitos adotados no modelo.
38
Tabela 9: Características apresentadas pela malha de elementos quadráticos finitos adotados no modelo.
Elementos Totais 1707
Quadrangulares 1707
Triangulares 0
Nós Totais 7150
Interno 6493
Contorno de Terra 582
Contorno Aberto 77
Terra/Aberto 2
Banda Máxima 265
Domínio Discretizado
Área 3222063977.809 m²
Volume 103271791941.539 m³
Profundidade Média 32.051 m
Além da malha, do conhecimento dos dados de entrada do modelo, série
temporal de vento, corrente e nível de água, os dados precisam estar no formato
adequado, com a realização de uma análise prévia, a fim de verificar coerência
nos valores inseridos.
Foram adotados dois cenários para a simulação, o de inverno e o de verão.
Para tais intervalos simulados, a diferenciação será a curva de decaimento
bacteriano.
4.8. Condições iniciais de simulação
Para iniciar o modelo, fez-se necessário a inserção de algumas séries
temporais de algumas variáveis, tais como: variação do nível da água ao longo do
contorno aberto, ventos e correntes. As séries utilizadas serão demonstradas nos
resultados, no tópico que aborda a validação do modelo.
Como condição inicial do modelo, adotou-se velocidades da componente U e V
nulas (zero) e a elevação de superfície livre correspondente ao primeiro valor da
série de nível de água utilizado (-0,12).
39
4.9. Validação do Modelo
A fim de quantificar a eficiência do modelo hidrodinâmico, adotou-se como
padrão utilizar o coeficiente de determinação R2, equação 23.
(23)
n
i
n
iR
1
2
i
1
2
ii2
dadodado
modelodado
1
Esse parâmetro estatístico foi descrito por Spiegel e Stephens, (1999) apud
ASA, (2008) como sendo uma comparação entre o erro do modelo e uma
variação total dos dados. Os valores obtidos através da comparação das séries
reais com a simuladas, variam de zero a um, adotado como 100% de eficiência o
valor um, diminuindo sua eficiência até 0 (zero)
40
5. Resultados e Discussão
5.1. Validação e análise do modelo hidrodinâmico
Na Figura 15 encontram-se dispostos os pontos utilizados na medição dos
valores inseridos no contorno aberto e o local de validação do modelo
hidrodinâmico, enquanto que a Figura 16 demonstra de forma sumarizada uma
comparação dos valores de elevação do nível do mar nos extremos do domínio
modelado, com os valores simulados. Uma vez que os valores inseridos no
contorno aberto do modelo são os dados de maré dos extremos do domínio
modelado, os mesmos não servem para validação, enquanto que a Figura 18
apresenta tal validação.
41
Figura 15: Local de validação e análise dos dados obtidos através de amostragem in-situ, e da simulação computacional.
5.2. Elevação do Nível de água
Um comparativo entre as séries de nível d’água medido, simulado e nos dois
locais de validação; diagrama de dispersão (confrontando os dados simulados
com os reais) e espectro simples de maré podem ser visualizados na Figura 16.
Apesar de ter sido utilizada uma série de elevação de nível de água no
contorno aberto do modelo, a mesma reproduziu com perfeição esta variação ao
longo do domínio modelado, cuja semelhança entre os dados medidos e os
simulados pode ser verificada na Figura 16 “A” e “B”. Tal ferramenta foi adotada,
em virtude da difícil previsão de maré meteorológica. Concordando com o
42
Uiassone, (2004), onde o mesmo adverte que a maré prevista por constantes
harmônicas difere dos registros observados para uma mesma região, isso em
virtude dos efeitos meteorológicos exercerem influência na oscilação do nível do
mar.
Em adição ao acima mencionado, a Figura 16, nos itens C e D, por meio de
regressão linear, entre os valores de nível d’água medidos e simulados para a
Praia da Pinheira (R² = 0,9771 ) e a Ilha João da Cunha (R² = 0,8377 ), reitera-se
que o modelo reproduziu satisfatoriamente a elevação da superfície livre, bem
como a defasagem de maré entre os extremos da malha.
A diferença dos valores de R² para os dois pontos de medição de maré pode
ser explicado por algumas hipóteses. Uma delas é uma é a distância do ponto de
medição de maré para o contorno externo, onde a maior distância localiza-se no
ponto ao norte (Ilha João da Cunha). Outra hipótese é a não interferência de maré
meteorológica no local de instalação do marégrafo, podendo justificar esa
diferença.
Por se tratar de um projeto de engenharia, um dos objetivos do modelo é
representar as forçantes existentes no ambiente, tornando livre a inserção de
séries temporais. Um exemplo é a aplicação de séries de maré nos nós do
contorno aberto. Para melhor visualização e compreensão das forçantes de maré,
executou-se uma análise espectral, tornando possível assim a análise no domínio
da frequência como proposto por Miranda, (1984), e as rotinas empregadas foram
as descritas por Carvalho, (2003). O resultado desta análise é disposto na Figura
16 “E” e “F”.
43
Figura 16: Série temporal de elevação de nível d’água na Praia da Pinheira, inicia em 22/03/3077 12:00:00 e termina em 22/04/2007 12:00:00. B) Série temporal de elevação do nível d’água na Ilha João da Cunha, inicia em 22/03/3077 12:00:00 e termina em 22/04/2007 12:00:00. C) Diagrama de dispersão entre as séries medidas e simuladas pelo modelo hidrodinâmico para Praia da Pinheira. D) Diagrama de dispersão entre as séries medidas e simuladas pelo modelo hidrodinâmico para Ilha João da Cunha. E) Análise espectral das séries medidas e simuladas para os dados referentes à Praia da Pinheira. F) Análise espectral das séries medidas e simuladas para os dados referentes à Ilha de João da Cunha.
44
A análise dos dados de maré no domínio da freqüência demonstra que na
região estudada, a maior energia de alta freqüência refere-se justamente ao ciclo
de maré semi-diurna, seguida da maré diurna, e, em períodos menores do que
um ciclo por dia observa-se forçantes de bastante intensidade, correspondentes
diretamente à ocorrência de maré meteorológica.
Trucollo, (1998), menciona que na Baia da Babitonga, ao norte do estado de
Santa Catarina, a maré astronômica representa 77% de toda variação do nível do
mar, restando 22% para maré meteorológica (e 1% remete ao que o autor
denomina tendência). As análises espectrais, nas freqüências respectivas a
marés de origem meteorológica, sugerem que quando comparadas as duas
estações maregráficas, ocorre uma atenuação da amplitude no sentido Praia da
Pinheira – Ilha João da Cunha (sul – norte). Forte indicador de que a região do
estudo é fortemente influenciada pelas variações meteorológicas, evidenciando
assim a dificuldade de validação do modelo hidrodinâmico em relação ao nível do
mar.
5.3. Correntes
A corrente residual que representa o padrão de correntes originadas sem
interferência de fatores externos, como: ventos, correntes de maré e agentes
meteorológicos apresentada pelo modelo, Figura 17, demonstra que correntes
para norte predominam ao longo do domínio modelado. Cabe lembrar que, os
vetores dessa figura demonstram uma baixa velocidade do escoamento
hidrodinâmico, justamente por não apresentar os valores verdadeiros de
correntes, e sim uma corrente residual.
Assim é possível determinar que a corrente longitudinal à costa prevaleça
sobre a perpendicular, caracterizando uma forte deriva litorânea. O mesmo
padrão de correntes ao longo da costa foi encontrado por Menezes, et al, (2006)
ao norte do estado, em Barra Velha – SC e Silva, (2009) no Rio da Madre,
Palhoça – SC a sul do domínio modelado.
45
Figura 17: Escoamento residual obtido através da modelagem numérica.
A validação do modelo, em respeito ao escoamento hidrodinâmico, mostrou-se
moderadamente eficiente para componente U e insatisfatória para a componente
V. Esta diferença é demonstrada na Figura 18 “A” e “B”.
A Figura 18 “C” e “D” ratifica a desigualdade das eficiências de validação nas
duas componentes, uma vez que o R² apresenta valores de 0,5458 e 0,1253
respectivamente para as componentes U e V, que corresponde a 54,58% e
12,53% de correlação entre os valores medidos e simulados nas respectivas
componentes U e V.
Mesmo que as energias de correntes descritas pelo modelo hidrodinâmico não
sejam condizentes com as intensidades reais, o escoamento hidrodinâmico
apresentou correlação com a maré. Conforme a Figura 18 “E” e “F”, pode-se notar
que as maiores intensidade de correntes encontram-se sobre a frequência de dois
ciclos por dia, demonstrando que as correntes de maré são bastante significativas
neste ambiente.
46
Figura 18: Série temporal da componente U na Praia dos Ingleses, inicia em 22/03/3077 12:00:00 e termina em 22/04/2007 12:00:00. B) Série temporal da componente V na Praia dos Ingleses, inicia em 22/03/3077 12:00:00 e termina em 22/04/2007 12:00:00. C) Diagrama de dispersão entre as séries medidas e simuladas pelo modelo hidrodinâmico para a componente U. D) Diagrama de dispersão entre as séries medidas e simuladas pelo modelo hidrodinâmico para a componente V. E) Análise espectral das séries medidas e simuladas para os dados referentes à componente U da Praia dos Ingleses. F) Análise espectral das séries medidas e simuladas para a componente V da Praia dos Ingleses.
47
A partir do modelo hidrodinâmico, foi possível analisar o escoamento
hidrodinâmico da região do Campeche, desta forma, extraiu-se valores de
correntes e maré sobre a posição dos difusores, sendo estes abordados a seguir.
5.4. Escoamento hidrodinâmico do Campeche
Os dados da Região do Campeche demonstram uma corrente predominante
para norte, em concordância com o escoamento hidrodinâmico residual. O
diagrama do padrão de correntes está disposta na Figura 19 “D” e “E”,
apresentando uma distribuição modal para norte entre as direções de 0 a 40° com
uma intensidade máxima de 0,1761 m/s, mínima de 0 m/s (estofa de maré) e uma
média de 0,0461 m/s conforme a Figura 19 “F” e Tabela 10. Outro indício da
predominância da corrente longitudinal à costa pode ser observado no diagrama
de dispersão das componentes U e V (Figura 22 “C”).
Tabela 10: Valores máximos, mínimos e médios para intensidade de corrente na região do Campeche.
Intensidade de Corrente – Campeche
Máxima 0,1761 m/s
Mínima 0,0000 m/s
Média 0,0461 m/s
Embora a maré na região do Campeche apresente as mesmas características
das marés dos extremos do domínio modelado, ela demonstra que o modelo
propagou de forma concreta a onda de maré, já que as amplitudes observadas na
região do Campeche representam valores intermediários em relação às estações
maregráficas, como explícito na Figura 19 “A” e “B”.
48
Figura 19: Dados oceanográficos retirados do modelo hidrodinâmico na região dos difusores do Campeche. A) Série de elevação do nível de água durante o período simulado. B) Espectro de elevação do nível da água. C) Diagrama de dispersão das componentes U e V, indicando a direção predominante da corrente. D) Série de direção das correntes na região do Campeche. E) Histograma de ocorrência de direções. F) Série intensidade de correntes retiradas do modelo na Região do Campeche.
N
49
5.5. Ventos
Segundo Gomes (2010), a latitude da Ilha de Santa Catarina (Florianópolis) é
divisora dos principais sistemas atmosféricos atuantes na região. Sendo possível
diferenciar os diferentes padrões de ventos ocorrentes no estado, um para região
Norte e outro para a região Sul, que também se diferenciam sazonalmente: um
correspondente as estações quentes (Primavera e Verão) e outro as estações
Frias (Outono e Inverno).
Sob um olhar mais pontual, na Ilha de Santa Catarina os padrões de vento
encontrados são bem diferentes do resto do estado, isso porque esta região é a
que limita o anticiclone tropical do Atlântico e ventos originados por passagens de
frentes frias (Ventos de sul) (Gomes, 2010).
Com isso, é possível verificar que a série de ventos utilizada (representada na
Figura 20), corresponde com o padrão encontrado por Gomes, (2010), uma vez
que, durante estações quentes (série utilizada) os ventos predominantes
encontram-se variando de Nordeste a Sudeste, representando justamente essa
mudança de direção entre o Norte e o Sul do estado (Figura 21).
Figura 20: Intensidade e direção dos ventos inseridos no modelo numérico.
50
Figura 21: Rosa dos ventos cumulativas entre dados de Estações Meteorológicas CIRAM/INMET (a) e satélite QuikSCAT SeaWinds (b) para Ilha do Arvoredo. Cores representam classes de intensidade de vento (m/s) e barra de porcentagem representa porcentagem de ocorrência durante o período.. Fonte: Gomes, 2010
Embora a série de ventos utilizada apresente uma maior ocorrência no
primeiro quadrante (entre Norte e Leste), os ventos de sul são mais intensos,
demonstrando que esta região sofre forte influencia de frentes frias, o que justifica
a necessidade de inclusão da maré meteorológica no modelo.
5.6. Decaimento Bacteriano
A curva média de decaimento bacteriano está esquematizada na Figura 22,
enquanto que a série de decaimento bacteriano empregada no modelo de
transporte Lagrangeano está disposta na Figura 23.
Figura 22: Curvas médias de decaimento bacteriano calculado.
As curvas de decaimento bacteriano forma obtidas através da formulação
proposta por Carvalho et al., (2006). Onde as estações consideradas foram Verão
e Inverno, cujo meses que representaram estas estações no processo de
simulação numérica foram os meses de Janeiro e Julho de 2007 respectivamente.
0
10
20
30
40
50
0 5 10 15 20 25
T90 (
hora
s)
Horas do Dia
T90 Médio Verão Inverno
51
Justamente por ser o ano de coleta dos dados de correntes. Com isso a EPAGRI
cedeu uma serie temporal de radiação sobre a superfície do oceano para os
respectivos meses, através da aproximação estatística da profundidade de Sechhi
e valores constantes de temperatura da água (inverno=18°C e verão=24°C),
espessura da pluma e coluna não estratificada, foi possível obter curvas
temporais para decaimento bacteriano, este demonstrado na Figura 23.
Figura 23: Curvas de decaimento bacteriano utilizado no processo de simulação numérica
A curva de decaimento bacteriano referente à estação de verão possui um
valor mínimo de 0,34 horas, máximo de 30,08 horas e uma média 15,80 horas,
enquanto, o valor mínimo de decaimento para o inverno encontra-se em 0,56
horas, máximo de 45,14 horas e a média de 28,62 horas, conforme demonstrado
na Tabela 11.
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
T90 (
ho
ras)
Janeiro 2007
Série T90 Verão
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
T90 (
ho
ras)
Julho de 2007
Série T90 Inverno
52
Tabela 11: Demonstração dos valores máximos, mínimos e médio encontrados para o decaimento bacteriano nas duas estações estudadas.
Verão (Horas) Inverno (Horas)
Mínino 0,34 0,55
Máximo 30,07 45,14
Média 15,80 28,62
A obtenção da feição das curvas se deu por intermédio de registros de
extinção vertical de luz na coluna de água. Estes valores de extinção vertical de
luz apresentaram uma distribuição entre 2 e 13 metros, com moda na
profundidade de três metros e meio, conforme a Figura 8.
Conforme explanado na metodologia, a salinidade e a temperatura adotadas
seguem o padrão encontrado por Carvalho et al., (1998), onde a salinidade
adotada é igual a média da salinidade dos oceanos (35), pois a área de estudo
não apresenta nenhuma aporte significativo de água doce. A temperatura adotada
no modelo de decaimento bacteriano também foi constante (em 18°C para o
inverno e 24°C para o verão). Considerou também que a pluma se manteve com
dimensões constantes (14 metros de espessura).
A curva de T90 adotada apresenta as mesmas características das curvas
encontradas na literatura. Como demonstrado à Topázio (2003), na costa
oceânica de Salvador, Figura 24.
53
Figura 24: Valores de T90 Horário no decorrer de um dia em situação de verão e inverno. Podemos observar que os T90 noturno são praticamente iguais no verão e no inverno. Isto ocorre em função de o fator determinante na variação do T90 na região é a quantidade de radiação solar que atinge o corpo d´água, considerando que a variação anual da temperatura dá água é desprezível. Fonte: Adaptado de Topázio, 2003.
Deve-se atentar que a curva apresentada por Topázio (2003), durante o
período noturno e nas diferentes estações apresenta praticamente os mesmos
valores (Figura 24), enquanto que a curva empregada no presente estudo
apresenta, para o período noturno valores diferentes ao longo das estações
(Figura 22). Outro aspecto relevante, é que o ciclo global de decaimento
bacteriano, apresentado para a região do Campeche, Santa Catarina (Figura 22)
é superior ao ciclo encontrado na região estudada por Topázio (2003) (Figura 24).
O fato das curvas de ciclo de decaimento bacteriano possuírem dimensões
diferentes está associado às características oceanográficas locais, uma vez que
na costa nordeste do Brasil, a temperatura da água é praticamente constante ao
longo do ano, enquanto que na costa Sul, segundo a GAPLAN (1987), o litoral
catarinense apresenta clima característico subtropical, e grandes variações de
temperatura ao longo do ano são registradas, tornando as temperatura na coluna
d’água fortemente influenciáveis pelas estações do ano.
5.7. Estratificação da coluna d’água
Com os valores de temperatura ao longo da coluna de água datados de
22/02/2010 a 22/04/2010 é possível analisar a estratificação da coluna de água
espaço-temporalmente, conforme Erro! Fonte de referência não encontrada..
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
0 6 12 18 24
T9
0 (
ho
ras
)
Horas do Dia
T90 -VERÃO
T90-INVERNO
54
Figura 25: Demonstra a estratificação da coluna de água na região do Campeche.
5.8. Modelo de Transporte Lagrangeano Advectivo/Difusivo
A simulação matemática da pluma de bactérias considerou situações típicas
de inverno e de verão, ponderando que, tanto o escoamento hidrodinâmico
quanto os valores de descarga foram iguais para as duas estações do ano
simuladas (inverno e verão), sendo que a única diferença entre os modelos foi à
curva de decaimento bacteriano.
Os resultados da distribuição espacial da pluma de Coliformes Fecais serão
demonstrados referenciando-os a legislação CONAMA 357/2005, que segundo o
Art. 1° dispõe sobre classificação e diretrizes ambientais para enquadramento dos
corpos de água superficiais, bem como estabelece as condições e padrões de
lançamentos de efluentes.
Os mapas com a máxima excursão espacial da pluma bacteriana, qual possui
a concentração igual ou acima do limite instantâneo permitido pela legislação
pertinente (CONAMA 357/2005), são representados pelas Figura 26 Figura 28
para inverno e verão respectivamente. Enquanto que os mapas com gradiente de
cor demonstram a concentração que excede em 20% do tempo com
concentrações de coliformes fecais termotolerantes acima ou igual permitido pela
legislação citada, Figura 27 para situação de verão e Figura 29 para situação de
inverno.
.
55
Figura 26: Cenário em situação típica de verão. A linha vermelha representa a máxima excursão da pluma com concentração maior ou igual ao limite máximo instantâneo estabelecido na Resolução
CONAMA N° 357/2005 para Coliformes Fecais em Águas Salinas de Classe 1 (2500 NPM/100ml).
56
Figura 27: Cenário em situação típica de Verão. Freqüência de excedência superior a 20% dos limites estabelecidos na Resolução CONAMA N° 357/2005 para Coliformes Fecais. A isolinha externa mostra o enquadramento para Águas Salinas de Classe 1 (1000 NPM/100ml). A isolinha do meio mostra o limite do enquadramento para Águas Salinas de Classe 2 (2500 NPM/100ml) e a isolinha interna mostra o limite do enquadramento para Águas Salinas de Classe 3 (4000 NPM/100ml). Esta macha demonstrada na figura seria o local com condições de balneabilidade insatisfatória. Obs.: Os detalhes não estão em escala.
57
Figura 28: Cenário em situação típica de Inverno. A linha vermelha representa a máxima excursão da pluma com concentração maior ou igual ao limite máximo instantâneo estabelecido na Resolução
CONAMA N° 357/2005 para Coliformes Fecais em Águas Salinas de Classe 1 (2500 NPM/100ml).
58
Figura 29: Cenário em situação típica de Inverno. Freqüência de excedência superior a 20% dos limites estabelecidos na Resolução CONAMA N° 357/2005 para Coliformes Fecais. A isolinha externa mostra o enquadramento para Águas Salinas de Classe 1 (1000 NPM/100ml). A isolinha do meio mostra o limite do enquadramento para Águas Salinas de Classe 2 (2500 NPM/100ml) e a isolinha interna mostra o limite do enquadramento para Águas Salinas de Classe 3 (4000 NPM/100ml). Esta macha demonstrada na figura seria o local com condições de balneabilidade insatisfatória. Obs.: Os detalhes não estão em escala.
59
A simulação procedeu-se durante 2592000 segundos em lançamento contínuo
de partículas, onde existiam valores de T90 para cada período de uma hora do dia
(3600 segundos), caracterizando um mês de modelagem numérica. A partir
destes, nota-se que as máximas excursões da pluma de coliformes fecais com
concentrações acima ou igual ao limite máximo instantâneo permitido pela
legislação pertinente, foi maior no cenário de inverno do que no de verão. Esse
fato está claramente associado às diferentes curvas de decaimento bacteriano.
Uma vez que a formulação adotada para calcular esse parâmetro (como descrita
por Carvalho et al., (2006)) tanto a incidência de radiação solar na superfície do
mar quanto a temperatura da água do oceano são levadas em consideração.
Quando analisado estas máximas excursões, associadas às isolinhas de
porcentagem com excedência superior a 20% acima do limite permitido pela
Resolução CONAMA N° 357/2005, nota-se que a máxima excursão,
possivelmente pode estar associada às bactérias que foram lançadas ao final da
tarde (pôr do sol), prolongando-se durante toda noite, período do dia em que
aumenta drasticamente a sobrevida das bactérias. Pois os mapas de isolinhas
demonstram a concentração considerada imprópria pela legislação durante um
período de 80% do tempo simulado, onde estes apresentam distribuição espacial
reduzida em relação à máxima excursão.
As plumas bacterianas possuem sua maior excursão durante a noite, tocando
ou atingindo proximidade com a costa, desta forma é possível identificar um risco
eminente de contaminação da população, pois se trata de uma região com forte
apelo turístico. Embora exista esse risco de contaminação, ele é minimizado, pois
a estação onde a pluma alcançou maiores distâncias trata-se do inverno, o que
diminui a ocupação da região (consequentemente a disposição de esgoto
doméstico).
É importante frisar que na área de estudo, há atuação de estratificação de
densidade na coluna d’água, porém os resultados foram gerados sem considerar
este fator, em virtude da limitação deste tipo de modelo (modelo barotrópico).
Aliado a uma subestimação da energia de correntes, esta simulação pode não
representar o verdadeiro padrão de distribuição espacial da pluma bacteriana.
60
6. Conclusão
Para o cálculo do decaimento bacteriano foram utilizados valores constantes
de espessura da pluma bacteriana, salinidade e temperatura da água. No entanto,
este cálculo se mostrou eficiente, pois variou conforme os padrões mencionados
na literatura, ou seja, aumentando a sobrevida bacteriana nos períodos noturnos
e mais frios, e diminuindo ao longo do dia com o aumento gradativo de
luminosidade e/ou temperatura.
Os dados cedidos pela EPAGRI mostraram-se altamente confiáveis, já que
tanto os dados de radiação solar, inseridos no cálculo de decaimento bacteriano,
quanto a série de vento utilizada, foram satisfatórios, seguindo os mesmos
moldes da literatura.
A modelagem numérica mostrou-se bastante eficiente em representar a
elevação da superfície livre, o que pode estar associado à robustez dos dados
utilizados na condição de contorno, ou seja, a maré nos extremos do domínio
modelado, permitindo calcular com precisão a defasagem da maré e transpor
esses valores para cada nó do contorno aberto, no entanto é pouco eficiente para
energia total das correntes. Essa falha pode estar associada à ausência de
valores reais de rugosidade do fundo e batimetria desatualizada uma vez que
estes parâmetros são importantes artifícios no processo de calibração do
escoamento hidrodinâmico, ou à baixa densidade de pontos de série temporal de
correntes, considerando que este modelo necessitou assimilar os dados de
corrente obtidos junto a Praia dos Ingleses, para aumentar a proximidade do
escoamento hidrodinâmico simulado com o real. Contudo, se houvesse uma
maior abrangência de dados referentes a correntes marinhas, seria possível
melhorar a validação dos dados de corrente.
Por fim, conclui-se que diante dos resultados apresentados, o emissário
submarino na Região do Campeche apresenta alguns pontos negativos para sua
implantação, isso baseando-se na legislação pertinente (CONAMA N°357/2005),
uma vez que a pluma de limite instantâneo permitido pela legislação alcançou à
costa em determinados momentos. Mas vale ressaltar que para o correto
dimensionamento do emissário submarino seria necessário proceder com o
cálculo do modelo de campo próximo, uma vez que este processo é um
importante agente na depuração dos coliformes fecais lançados no ambiente
hídrico. Podendo assim, com o devido cálculo este emissário tornar-se viável para
61
esta região. Tornando-se-se necessário uma análise detalhada dos padrões
hidrodinâmicos, ou simular novas alternativas de construção do emissário.
O modelo utilizado apresentou limitações como a não inserção da
estratificação da coluna de água, além de subestimar o escoamento
hidrodinâmico, o que pode acarretar em uma distribuição espacial subestimada da
pluma bacteriana, já que esta é fortemente influenciada pelos processos de
advecção e difusão, tornando assim necessária uma análise meticulosa destes
resultados.
62
7. Considerações Finais
Quanto à validação do escoamento hidrodinâmico, o mesmo mostrou-se
insatisfatório, pois o R² apresentado para os diagramas de dispersão das
componentes não apresentaram boa correspondência. Tornando o modelo
limitado em reproduzir a energia do ambiente, bem como a dispersão da pluma
poluente.
A fim de aprimorar os resultados de simulações futuras, sugere-se:
Utilizar um modelo 3D para melhor representar o escoamento
hidrodinâmico ao longo do domínio modelado, bem como inserir a
presença de estratificações da coluna de água;
Acoplar um modelo de ondas ao modelo de transporte. Já que este
fenômeno possui significativa energia, o que favorece o transporte da
pluma contaminante;
Coletas simultâneas de dados meteo-oceanográficos, em vários pontos ao
longo do domínio modelado, visando melhorar a calibração do modelo, que
por sua vez melhorará a validação do mesmo;
Acoplar ou utilizar os dados de um modelo de campo próximo ao modelo
hidrodinâmico tri-dimensional, a fim de permitir uma melhor acurácia dos
resultados de dispersão da pluma bacteriana.
63
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