III Seminário de Pesquisa da APA Itupararanga: Água e Saneamento, desafios à conservação 28 e 29 de Novembro de 2012 Sorocaba - SP _______________________________________________________

Contribuição a Gestão Ambiental da Represa de Itupararanga através

do Modelo CE-QUAL-W2

Mariana Beraldi Rigonato (Universidade Federal de São Carlos)

Mestranda no Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia e Monitoramento Ambiental

maryberaldi@hotmail.com

Prof Dr. André Cordeiro Alves Dos Santos (Universidade Federal de São Carlos)

Professor Adjunto

Profa. Dra. Maria do Carmo Calijuri (Universidade de São Paulo)

Professora Titular

Resumo

Os modelos matemáticos de qualidade da água constituem uma importante ferramenta de

avaliação de impactos ambientais e potencialidade para auxiliar a tomada de decisões referentes

à gestão dos recursos hídricos. Podem proporcionar a simulação de eventos identificando fatores

que afetam a qualidade da água e simular possíveis cenários futuros propondo alternativas de

gestão para corpo d’água estudado, auxiliando na sua administração. O modelo QUAL-W2 V.3.7.

permite a simulação de variações hidrodinâmicas ao longo dos eixos longitudinal e vertical do

ambiente e pode simular mais de 21 constituintes da água, entre eles, pH, temperatura, fósforo,

salinidade, entre outros. A calibração do modelo matemático é fundamental para garantir a

confiabilidade dos resultados. O QUAL-W2 será aplicado no reservatório de Itupararanga, um dos

mais relevantes para o estado de São Paulo, com o objetivo de fornecer uma ferramenta de baixo

custo para o monitoramento da qualidade hídrica, proporcionar alternativas de manejo integrado a

fim de garantir os usos múltiplos da represa e auxiliar o gerenciamento e planejamento da bacia

hidrográfica.

Palavras-chave

Modelo de qualidade de água, QUAL-W2, Reservatório de Itupararanga.

Introdução

O Reservatório de Itupararanga é um dos mais relevantes para o estado de São Paulo

sendo responsável pelo abastecimento do município de Sorocaba e região. Embora ofereça boa

qualidade de água, há uma piora gradativa desde 2006 devido ao processo de eutrofização e à

presença de cianobactérias.

As aplicações de modelos matemáticos de qualidade de água em reservatórios têm como

objetivo auxiliar a administração da água a fim de minimizar a degradação hídrica. Nesse trabalho,

optamos pela utilização do modelo CE-QUAL-W2 V.3.7 com a finalidade de auxiliar o

gerenciamento e planejamento dos recursos hídricos da bacia hidrográfica.

A calibração do modelo é o ponto inicial da modelagem e fundamental para garantir a

confiabilidade dos resultados. O trabalho terá como objetivo a calibração do modelo CE-QUAL-W2

a fim de proporcionar uma ferramenta de monitoramento ambiental para o reservatório de

Itupararanga. O projeto ainda está no início e não há resultados a serem apresentados. A previsão

para a conclusão da calibração do modelo e finalização do projeto é o início de 2014.

Modelagem matemática de Reservatórios

Os modelos matemáticos de simulação passaram a constituir uma potente ferramenta na

avaliação de impactos ambientais além de auxiliar na tomada de decisões referentes à gestão dos

recursos hídricos. Por meio da sua utilização é possível prever, com razoável precisão, a resposta

de um ambiente frente à perturbação antrópica dos recursos hídricos e analisar o recurso hídrico

perante cenários prognósticos e alternativos.

Há diversos modelos de simulação de qualidade da água na literatura com diferentes

características e diversas variáveis passíveis de simulação. Os modelos matemáticos têm

evoluído em função do desenvolvimento de métodos computacionais e numéricos, do surgimento

de novos problemas ambientais e da inclusão de novos processos químicos, físicos e biológicos

do ecossistema aquático (SILVA, 2006).

As equações gerais que governam esses modelos de qualidade hídrica são a equação do

balanço e da conservação da massa, o que resulta numa equação diferencial parcial. Utilizam

ainda equações de advecção e dispersão/difusão turbulenta para o cálculo do transporte de

substâncias dissolvidas na água (SILVA, 2006).

O modelo QUAL-W2 é um desses modelos com uso potencial para simulação da qualidade

da água, especialmente de lagos e reservatórios. Também pode ser aplicado a estuários, rios ou

porções de corpos d’água, sendo somente necessário especificar quais condições hidrodinâmicas

são predominantes. O modelo permite a simulação de variações hidrodinâmicas ao longo dos

eixos longitudinal e vertical de um determinado corpo d’água e, dessa forma, é indicado onde as

principais variações físico-químicas da água ocorrem ao longo dos eixos longitudinais.

O modelo QUAL-W2 foi desenvolvido em 1975 e desde então tem sido constantemente

modificado. Sua versão original LARM (Laterally Averaged Reservoir Model) era direcionada

somente para estudos da dinâmica dos corpos d’água. Devido às alterações para simulação de

múltiplos braços e condições de contorno para zonas de estuários a nomenclatura alterou-se para

GLVHT (Generalized Longitudinal-Vertical Hydrodinamics and Transport Model). A adição do

algoritmo de qualidade d’água pela USACE (U.S. Army Corps of Engineers) em 1986, o modelo

passou a ser configurado como CE-QUAL-W2. É caracterizado como bidimensional com médias

laterais e combina diretamente os algoritmos da hidrodinâmica e da qualidade da água (COLE,

2011).

Esse modelo permite a simulação de variáveis hidrodinâmicas ao longo de eixos

longitudinais e verticais de um corpo d’água. O CE-QUAL-W2 é baseado na solução por

diferenças finitas das equações com médias laterais do movimento de fluídos, incluindo: (1)

Equação de onda da superfície livre; (2) Pressão hidrostática; (3) Momento horizontal; (4)

Continuidade; (5) Transporte de constituintes; (6) Equação de estado relatando a densidade e

constituintes incluindo a temperatura e as concentrações de sólidos. O modelo é capaz de incluir

condições de contorno variáveis no tempo, múltiplos trechos, afluentes e retiradas de águas

laterais, entre outros aspectos que permitem uma ampla variedade de situações (COLE, 2011).

Por meio da solução das equações hidrodinâmicas, o modelo em questão faz cômputo dos

termos do transporte advectivo, calcula o coeficiente de difusão vertical, do gradiente das

velocidade longitudinais e das densidades da água. O coeficiente de difusão longitudinal é

invariável no tempo e no espaço.

Também é possível, por meio da sua utilização, uma simulação integrada de sistemas com

várias massas de água interligadas e a simulação de diferentes estruturas hidráulicas, tais como

descarregadores de superfície e de fundo, descargas pontuais e de circuitos equipados com

bombas e turbinas (COLE; WELLS, 2002). Diversas entradas de cargas de contaminantes podem

ser empregadas, como fontes não pontuais, cargas de formadores e cargas variáveis devido a

limpeza de reservatórios por meio de técnicas ecológicas de manejo (PRATES, 2000).

A versão mais recente (3.7) permite simular mais de 21 constituintes da qualidade da água,

entre eles, sólidos dissolvidos totais, salinidade, coliformes, sólidos inorgânicos em suspensão,

matéria orgânica biodegradável, matéria orgânica recalcitrante, detritos, fósforo, amônia, nitrito-

nitrato,oxigênio dissolvido, ferro, sedimentos, alcalinidade, carbono inorgânico total, pH,

temperatura, e densidade.) Os constituintes de qualidade da água podem ser omitidos quando

necessário fornecendo flexibilidade na aplicação do modelo (COLE, 2011).

Em simulações de sistemas naturais toda aplicação com um modelo matemático deve ser

ajustada, calibrada ou sintonizada de forma a representar o corpo aquático com relação aos

aspectos hidráulicos e ao comportamento biológico e químico das variáveis envolvidas no

ecossistema. “Essa etapa é chamada de calibração ou ajuste do modelo ao sistema de interesse,

e é realizada a partir de um conjunto inicial de dados pela manipulação ou sintonia dos

parâmetros bio-cinéticos disponíveis com o intuito de simular o comportamento do sistema”

(SOUZA, 2006, p.8).

Esse é o ponto inicial para a projeção de cenários de poluição hídrica em ambientes

aquáticos (SOUZA, 2006). O processo de calibragem é baseado em comparações entre as

medições hidrodinâmicas do reservatório e estimativas do modelo de qualidade da água (DEBELE

et al., 2008).

O monitoramento integrado com a simulação matemática pode oferecer uma melhor

relação entre flexibilidade e custo do que apenas com o monitoramento in loco. O modelo deve

ser capaz de simular diferentes cenários de desenvolvimento da bacia, considerando todas as

fontes de poluição, pontuais e difusas, entre outros usos já estabelecidos na bacia hidrográfica

(LARENTIS, 2004).

Para uma calibração efetiva e que garanta confiabilidade nos resultados é necessário

apresentar graficamente todas as condições de contorno, comparar dos dados amostrados com

os dados do modelo e conter uma lista de aperfeiçoamento e sugestões para a coleção das

condições de contorno e análise da sensibilidade dos parâmetros envolvidos, com o objetivo de

melhorar o desempenho do modelo (WELLS, 2005).

O modelo aplicado a represa de Itupararanga pode fornecer resultados coerentes que

retratarão as características do reservatório de forma prática e rápida, caracterizando-se como um

importante instrumento na gestão de recursos hídricos.

O Reservatório de Itupararanga

O Reservatório de Itupararanga é responsável pelo abastecimento do município de

Sorocaba e região e é um dos reservatórios de maior relevância no estado de São Paulo. Possui

entorno com diversos fragmentos florestais em bom estado de conservação e várias nascentes e

corpos hídricos que abastecem o reservatório (BEU et al., 2011).

A represa de Itupararanga foi construída pela empresa Light para geração de energia e em

1912 entrou em operação. Nos principais formadores do rio Sorocaba, onde a represa está

localizada, Sorocamirim e Sorocabuçu concentram-se grandes problemas ambientais, entre eles,

uso agropecuário, utilização intensiva de pesticidas e aumento de áreas ocupadas por

empreendimentos imobiliários (SOS ITUPARARANGA, S/data).

O reservatório de Itupararanga faz parte da área de proteção ambiental, cuja criação

ocorreu devido a fortes pressões que essa região vem sofrendo nos últimos anos, especialmente

devido a especulação imobiliária em várias porções do território, avanço de loteamentos e

atividades agrícolas (BEU et al., 2011).

A Área de Proteção Ambiental de Itupararanga é uma das áreas consideradas de relevante

importância para a conservação de fragmentos florestas do Estado de São Paulo. Cerca de 1/3 do

território da APA Itupararanga é ocupado por fragmentos de vegetação nativa (38%). A maioria

desta vegetação está fragmentada o que reduz a conectividade de habitas dividindo o ambiente

em numerosas ilhas e influenciando o fluxo gênico da biodiversidade (BEU et al., 2011).

Os limites da APA coincidem com a sub-bacia hidrográfica “Alto Sorocaba” inserida na

Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos dos Rios Sorocaba e Médio Tietê (UGRHI – 10).

Possui um território de 93.403,69 hectares, sendo 2.723,04 hectares ocupados pela represa de

Itupararanga e abrange um total de oito municípios: Alumínio, Cotia, Ibiúna, Mairinque, Piedade,

São Roque, Vargem Grande Paulista e Votorantim (BEU et al., 2011).

Vargem Grande Paulista é o município que apresenta maior área de seu território dentro a

APA (3.010,29 ha), apesar do município de Ibiúna apresentar maior área no território (58.206,76

ha). Os municípios que concentram maior número de habitantes inseridos na APA são Cotia,

Votorantim e São Roque, respectivamente (BEU et al., 2011).

A represa está localizada no alto curso do rio Sorocaba (maior afluente do rio Tietê) e na

sub-área denominada Médio-Tietê. A bacia do rio Sorocaba tem uma área de drenagem de 5.296

Km2, um comprimento médio de 120 Km e largura aproximada de 50 Km. A área de drenagem

controlada pela represa é de 936,51 Km2, sendo que o canal principal possui 26 Km e as margens

192,88 Km (SOS ITUPARARANGA, 2012).

Aproximadamente 25% da bacia ainda possui cobertura de mata nativa, 4,5% com

cerrados e cerradões, 7,5% de área reflorestada e 32,5% de área e pastagem e policultura. Há

cerca de 1,2 milhão de habitantes residentes nessa bacia (SMITH, 2003).

O rio Sorocaba é o responsável por grande parte do abastecimento de água dos

municípios de Sorocaba, Votorantim, Mairinque, Alumínio, Ibiúna e São Roque, um total de

800.000 habitantes. Nos últimos anos tem-se observado altos níveis de assoreamento,

especialmente nas cabeceiras da represa, devido a intensa atividade de mineração de areia,

desmatamento ciliar e uso indiscriminado da irrigação (SOS ITUPARARANGA, 2012).

O uso de atividade agrícola na região é intensivo especialmente por parte de pequenos

proprietários rurais com média de 4,5 alqueires. A agricultura é umas das principais atividades

econômicas na área e os principais tipos de culturas são hortaliças diversas, morango, cebola,

batata, tomate, entre outras oleícoras (BEU et al., 2011).

O reservatório de Itupararanga oferece boa qualidade de água ao abastecimento público,

apesar de exibir uma piora gradativa desde 2006 em relação à eutrofização e à presença de

cianobactérias (CETESB, 2011). Devido a presença de significativos remanescentes florestais e o

constante crescimento de cianobactérias é fundamental realizações de ações de planejamento

ambiental para a manutenção da qualidade hídrica do reservatório.

Conclusões

O ajuste do modelo matemático de qualidade da água QUAL-W2 V.3.7 para simulação do

reservatório de Itupararanga, desenvolverá uma ferramenta auxiliar de baixo custo para o

gerenciamento e planejamento de bacias hidrográficas. Será possível simular diversos cenários,

como fontes de contaminação e acumulação, identificar fatores que afetam a qualidade da água e

ainda simular condições futuras e proporcionar propostas alternativas para o corpo d’água.

Referências

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COLE, T.M.; WELLS, S. A. CE-QUAL-W2: A two dimensional, Laterally Averaged, Hydrodinamic and Water Quality Model, Version 3.5. User’s manual. Instruction Report EL-02-1, US Army Corps of Engineers, Waterways Experiment Station (ed.), Vicksburg, MS, USA, 2002.

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LARENTIS, D. G. Modelagem Matemática da Qualidade da Água em Grandes Bacias: Sistema Taquari-Antas. Dissertação de Mestrado. Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IP-UFRGS), 112p., 2004.

PRATES, S. H. Contribuição a Gestão Ambiental da UHE Dona Francisca através do Modelo de Simulação de qualidade de água. In: XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental – ABES. Porto Alegre, Brasil. Disponível em: < http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/caliagua/v-017.pdf> Acesso em: 18 Nov. 2012.

SILVA, H. L. G. Modelagem bidimensional do fósforo com vistas a gestão de bacias hidrográficas – estudo de caso: reservatório de Fiú. Tese de Doutorado, Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 124p. 2006.

SOS ITUPARARANGA. Caracterização Geoambiental da Bacia da Represa de Itupararanga, Bacia Hidrográfica do Rio Sorocaba – SP. Disponível em: <http://www.sositupararanga.com.br/biblioteca/index.asp>. Acesso em: 03 jul. 2012.

WELLS, S. A. Surface water Hydrodynamic and Water Quality Models: Use and Misuse. 26rd Annual Water Law Conference. San Diego, CA,10p., 2005.

SMITH, W. S. Os peixes do Rio Sorocaba: a história de uma bacia hidrográfica. São Paulo: TCM, 2003.

SOUZA, R. S. Simulação Hidrodinâmica da Qualidade da Água. Estudo de Caso: Ajuste do Modelo QUAL-W2 à Sub-Bacia do Arroio Demétrio, Bacia Hidrográfica do Rio Gravataí/RS. Dissertação de Mestrado. Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IP-UFRGS). 156p., 2006.