CALIBRAÇÃO DE SONDAS DE TURBIDEZ EM …...O objetivo desse trabalho foi a calibração de três sondas de turbidez (DTS-12) a partir da utilização de amostras de sedimentos em

X Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos 1

CALIBRAÇÃO DE SONDAS DE TURBIDEZ EM LABORATÓRIO

Vanessa Sari1 ; Marco Alésio

2; Nilza Maria dos Reis Castro

3; Masato Kobiyama

4

RESUMO --- Esse trabalho apresenta um procedimento para calibração em laboratório de três

sondas de turbidez utilizando-se amostras de sedimentos em suspensão coletadas em campo, com o

amostrador tipo Torpedo. Essas amostras foram recolhidas em três bacias embutidas (Donato,

Turcato e Taboão), localizadas na região noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. A relação entre

turbidez e concentração de sedimentos em suspensão (CSS) foi determinada para uma faixa de

concentração entre 0,01 e 12 g, dissolvidas em 1000 mL de água deionizada. Essa mistura água-

sedimento foi homogeneizada, manualmente, durante 1 minuto em um recipiente preto e opaco.

Após esse período, as sondas DTS-12 realizaram leituras de turbidez (NTU) durante três minutos,

gravando a média dessas leituras a cada 30 segundos. Cada sonda foi calibrada com os sedimentos

coletados na respectiva bacia. Os resultados mostraram um ajuste polinomial entre a turbidez e CSS

para a bacia do Taboão e dois ajustes diferenciados para as bacias do Turcato e Donato, sendo linear

para CSS menor que 100 mg/L e potencial para CSS maior que 100 mg/L. Os modelos mostraram

bom ajustes e baixo erro relativo, entretanto as concentrações de sedimentos calculadas foram, em

geral, subestimadas.

ABSTRACT --- This paper presents a procedure for calibration in the laboratory of three turbidity

sensor using samples of suspended sediment collected in the field, with the sampler Torpedo. These

samples were collected from three built-in watersheds (Donato, Turcato and Taboão), located in the

northwestern region of Rio Grande do Sul state. Relationship between turbidity and suspended

sediments concentration (SSC) was determined for a concentration range from 0.01 to 12 g,

dissolved in 1000 mL of deionized water. This sediment-water mixture was manually homogenized

for 1 minute in an opaque and black recipient. After this period, the DTS-12 turbidity sensor read

during three minutes the turbidity values and stored the average of these readings every thirty

seconds. Each turbidity sensor was calibrated with sediment collected in the respective watershed.

The results showed a polynomial adjustment between turbidity and SSC for Taboão watershed and

two different models of adjustment for the watersheds Turcato and Donato: a linear adjustment for

SSC less than 100 mg/L and a potential adjustment for SSC greater than 100 mg/L. The models

showed good adjustments and low relative error, but in general the values of SSC were

underestimated.

Palavras-Chave: turbidez, concentração de sedimentos em suspensão, calibração.

1 Doutoranda do Programa de Pós Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade

Federal do Rio Grande do Sul, Campus do Vale, Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS, CEP 91501-970. e-mail: [email protected] 2 Doutorando do Programa de Pós Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade

Federal do Rio Grande do Sul. 3 Professora do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 4 Professor do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina.


1. INTRODUÇÃO

A erosão dos solos, o transporte e os depósitos de sedimentos e suas implicações são um dos

grandes desafios enfrentados, pelo homem, na atualidade. De fato, a presença de sedimentos na

água tem dois efeitos opostos sobre a qualidade dos recursos hídricos e do meio ambiente. Por um

lado, as partículas de sedimentos, especialmente as mais finas, absorvem alguns poluentes e assim,

melhoraram, consideravelmente, a qualidade da água. Na contramão, os mesmos sedimentos podem

servir também, como agentes poluentes, na medida em que configuram-se em meio transportador e

armazenador de outros poluidores (como pesticidas, resíduos, fósforo absorvido, compostos

orgânicos, bactérias patogênicas e vírus); afetando, dessa forma, a pureza, transparência e qualidade

da água (WMO, 2003).

Na percepção dessa conjuntura é que se configura a vital importância do conhecimento e

entendimento do processo hidrossedimentológico para a conservação e utilização dos solos e

recursos hídricos de uma determinada região; bem como, para a execução de estudos ambientais e

projetos de obras hidráulicas (Carvalho, 2008). Por outro lado, a ausência de dados

hidrossedimentológicos suscita incertezas que podem comprometer o gerenciamento dos recursos

hídricos, limitando a avaliação dos aproveitamentos de mananciais e prejudicando os estudos de

qualidade das águas e dos processos de outorga.

Como destacam Minella et al. (2008b), a medição da concentração de sedimentos em

suspensão (CSS) deve estar vinculada às mudanças de nível do rio, especialmente durante episódios

de cheias, pois exatamente nesse momento ocorre o maior fluxo de sedimentos. Em realidade, cerca

de 70% a 90% dos sedimentos transportados em um rio ocorrem no período de precipitações,

principalmente durante eventos intensos (Carvalho, 2008).

Usualmente, a medida da carga de sedimentos em suspensão envolve o monitoramento do

fluxo de água e a simultânea coleta dos sedimentos, por amostragem com dispositivo adequado.

Entretanto, é inegável que esse tipo de amostragem pode comprometer a representatividade das

informações levantadas; isso tendo-se em vista que restrições operacionais e econômicas podem

limitar a frequência e a coleta de amostras durante a ocorrência dos diferentes eventos (Minella et

al., 2008a), comprometendo a caracterização da dinâmica do fenômeno.

Nessa perspectiva, a instrumentalização de bacias hidrográficas para o monitoramento

contínuo de elementos hidrossedimentológicos revela-se essencial para a aquisição de informações,

com consideração da variação espaço-temporal, dentro de uma bacia.

Pesquisas demonstram que o uso de turbidímetros em campo, com medidas contínuas,

representa uma interessante solução para as limitações inerentes às amostragens discretas (Gippel,

1989, 1995; Gurnell & Warburton, 1990; Orwin & Smart, 2005). No entanto, como salientam

Minella et al. (2008a), a utilidade das informações obtidas depende intensamente da existência de


uma estreita relação entre a CSS e a turbidez, bem como, do procedimento de calibração executado;

o qual proporcionará, por sua vez, uma relação da concentração de sedimentos em suspensão ao

sinal de turbidez (NTU) do equipamento.

O objetivo desse trabalho foi a calibração de três sondas de turbidez (DTS-12) a partir da

utilização de amostras de sedimentos em suspensão, coletados em campo com amostradores tipo

Torpedo, instalados no exutório de três bacias hidrográficas embutidas, localizadas no estado de Rio

Grande do Sul.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1. Velocidade de queda das partículas

A velocidade de queda da partícula de sedimento (W) é um importante parâmetro utilizado em

avaliações de transporte de sedimento. Ela é uma variável primária na interação entre o sedimento

transportado no fluído, o leito e os bancos de sedimentação (Simons & Sentürk, 1992) e seu cálculo

depende da função de transporte utilizada e do tamanho da partícula de sedimento em estudo (Yang,

2003).

As variáveis que afetam a W são a densidade do fluído ( f ), a densidade da partícula ( s ), a

viscosidade dinâmica do fluído ( ), o diâmetro da partícula ( sD ), o fator de forma da partícula

( pS ), a frequência de oscilação ou turbulência ( f ), a rugosidade da superfície ( rS ), e o peso

flutuante da partícula ( F ) (Simons & Sentürk, 1992).

Além desses parâmetros exercem influência em W: a velocidade do fluxo, o número de

Reynolds e o tipo de partícula.

A viscosidade é uma função da temperatura da água, e pode ser expressa pela equação (1)

(Yang, 2003).

2

6

000221,00337,00,1

10792,1

TTv

(1)

onde é a viscosidade cinemática da água (m²/s); e T é a temperatura da água (ºC).

No cálculo de W (m/s) pode-se utilizar duas equações (2) e (3) apresentadas a seguir (Simons

& Sentürk, 1992). Para diâmetro das partículas maior ou igual a 0,1 mm usa-se a equação de Rubey

(1933):

i

is

D

Dg

W

63613

2

5,0

23

(2)

onde g é a aceleração da gravidade (9,815 m/s²); s é o peso específico do sedimento (ton/m³); é

o peso específico da água (ton/m³); D é o diâmetro médio do sedimento (m); e é a viscosidade


cinemática da água (m²/s). Já para as partículas com diâmetro menor que 0,1 mm usa-se a equação

de Stokes:

2

18

1 DgW s

(3)

2.2. Calibração das sondas de turbidez

A continuidade das informações coletadas por turbidímetros possibilita o conhecimento e

entendimento da dinâmica espaço-temporal dos sedimentos em uma bacia; entretanto, a calibração

do instrumento registrador requer uma análise mais cuidadosa, com consideração das características

do local onde o equipamento se encontra instalado (Gippel, 1989).

Chauncey (2005) e Minella et al. (2008a) descrevem o processo de calibração ocorrendo em

três etapas. A primeira seria constituída pelo teste de eficiência e estabilidade do equipamento

(Turbidez de Referência), sendo caracterizada por leituras em soluções padronizadas como, por

exemplo, a Formazina. Já a segunda estaria centrada no estabelecimento da adequada relação entre

a concentração de sedimentos em suspensão e o sinal de turbidez. E a terceira compreenderia a

verificação da calibração em campo.

A correlação entre a CSS e o sinal de turbidez pode ser obtida de duas formas: a partir de

amostras (mistura água-sedimento) coletadas em campo, preferencialmente durante os eventos de

cheias, utilizando amostradores adequados (por exemplo: os da série USDH). Ou então, em

laboratório, com amostras sólidas coletadas diretamente na bacia e provenientes de diferentes fontes

(lavouras, estradas, etc.), ou ainda, através de amostras de sedimentos coletadas na calha do rio,

com o amostrador Torpedo.

Para Minella et al. (2008a), a calibração de sondas de turbidez em laboratório, a partir do

uso de materiais provenientes da bacia onde a mesma será instalada, revela-se uma alternativa

interessante e viável, quando comparada às dificuldades inerentes ao processo de calibração in situ,

durante o evento; apesar dessa última garantir maior representatividade dos fenômenos intrínsecos

ao processo de transporte e armazenamento do sedimento na calha e margens do rio.

Quando as propriedades das partículas de sedimentos são constantes, a relação entre a

turbidez e a concentração de sedimentos em suspensão é do tipo linear. Entretanto, em bacias

naturais caracterizadas pela variabilidade espacial da geologia, solos e cobertura da terra, as

características dos sedimentos que chegam ao rio são, em geral, heterogêneas; representando uma

mistura de matérias provenientes de diferentes fontes (Wass & Leeks, 1999).

Estudos realizados mostram que, em geral, a relação entre a concentração de sedimentos em

suspensão e a turbidez é do tipo linear (y = ax + b), potencial (y = axb) ou um polinômio de ordem

dois (y = ax² + bx + c) e, comumente, o coeficiente de correlação entre as duas variáveis (CSS e


turbidez) é superior a 70% (Foster et al., 1992; Gao et al., 2008; Lewi, 1996; Lewis, sd; Minella et

al., 2008a; Navratil et al., 2011; Old et al., 2003; Paranhos & Paiva, 2005; Sun et al., 2001).

Na análise das equações de relação entre a CSS e a turbidez é necessário considerar,

também, os erros envolvidos no processo, sejam eles sistemáticos (associados ao procedimento

empregado para a calibração) ou metodológicos (ligados à ausência de uma relação única entre a

concentração de sedimento e a turbidez).

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. Coleta de sedimentos in situ

As três bacias hidrográficas em que foram coletadas as amostras de sedimentos em suspensão

estão localizadas no município de Pejuçara, região noroeste do estado do Rio Grande do Sul;

estando situadas entre as latitudes 28°23'00"S e 28°28'00"S e as longitudes 53°35'00"W e

53°47'00"W. A Figura 1 mostra a localização das bacias hidrográficas do Taboão, Turcato e Donato

e de suas respectivas estações fluviométricas.

As bacias do Taboão (78 km²), do Turcato (19,5 km²) e do Donato (1,13 km²) são embutidas.

Essas bacias pertencem à bacia do rio Potiribu, que é contribuinte do Rio Ijuí, este último

constituindo-se um afluente de margem esquerda do Rio Uruguai.

As bacias em estudo caracterizam-se por serem áreas com grande atividade agrícola, sendo a

rotação de culturas predominante na região: soja e milho no verão e aveia e trigo no inverno.

Também salienta-se que o plantio direto é prática utilizada na bacia desde o ano de 1993. As bacias

do Donato e Turcato possuem cerca de 90% de suas áreas cultivadas; já a bacia do Taboão possui

entre 80 e 85% de áreas cultivadas. Além disso, vegetação nativa ou em estágio avançado de

regeneração ocorrem na forma de fragmentos de mata ciliar e manchas isoladas de diferentes

extensões, raramente chegando a 1 km² (Girardi et al., 2011).

Os solos predominantes nas bacias são os Latossolos vermelhos, caracterizados por grande

profundidade e quantidade de argila (superior a 60%). A alta atividade dos argilominerais formam

estruturas de microagregados conferindo ao solo bom armazenamento de água, característica da

argila, e alta taxa de infiltração, sendo conhecidos como falsas areias. Os Nitossolos assim como o

Latossolo, são solos profundos diferindo deste por apresentar um horizonte B com uma estrutura

mais desenvolvida com revestimento brilhante (cerosidade). Já o Neossolo é um solo pouco

desenvolvido e normalmente raso. Nas áreas de depressões com baixa declividade encontra-se o

Gleissolo, caracterizado como solo pouco profundo e mal drenado, geralmente apresentando cor

acinzentada ou escura (Castro, 1996).


Figura 1 – Localização das bacias hidrográficas de Taboão, Turcato e Donato e de suas respectivas

estações fluviométricas e mapa dos solos.

As amostras de sedimentos em suspensão foram coletadas com amostradores integradores

no tempo, denominados “Torpedo”. A Figura 2 apresenta uma imagem desse equipamento de

coleta.

Figura 2 – Amostrador tipo Torpedo.

O amostrador é constituído por um tubo de PVC com 75 mm de diâmetro e 80 cm de

comprimento, fechado nas duas extremidades por uma tampa com rosca. No centro dessas tampas


está inserido um tubo de 3 cm de comprimento e 5 mm de diâmetro, através do qual ocorre a

entrada e saída do fluxo de água. Essa mistura água-sedimento ao entrar no amostrador, passa para

um micro ambiente lêntico ocasionando, por consequência, o depósito do sedimento no interior do

tubo.

Esses instrumentos foram instalados nas seções de medição, no exutório de cada bacia a uma

altura de 10 cm, com o orifício de entrada voltado contra a corrente, acumulando sedimentos finos;

representativos do material em suspensão das bacias.


Para calcular o valor de W utilizou-se as equações (2) e (3).

3.3. Calibração das sondas de turbidez

Nesse trabalho o procedimento de calibração das sondas de turbidez foi realizado no

Laboratório de Sedimentos do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da UFRGS, com amostras

oriundas dos amostradores torpedo, instalados na seção de medição do exutório de cada uma das

bacias estudadas.

O processo de calibração seguiu as duas primeiras etapas descritas em Chauncey (2005) e

Minella et al. (2008a), sendo que cada uma das sondas foi calibrada utilizando os sedimentos

oriundos de uma bacia, na qual ela será futuramente instalada. Após essa instalação será realizada a

terceira etapa do processo de calibração, caracterizada pela verificação da calibração em campo.

As sondas utilizadas, série DTS-12 -SDI Turbity Sensor da empresa Forest Technology

System, LTD. (Figura 3a), possuem um alcance de medição médio entre zero e 1600 NTU, com

uma resolução de 0,01 NTU. A acurácia para a faixa entre zero e 499,99 NTU é, em média, 2% e

para a faixa entre 500 e 1500 NTU oscila em torno de 4% (FTS, sd). O sensor possui uma lâmina de

silício, que ajuda a minimizar as incrustações, possibilitando a limpeza da sonda antes do início das

leituras e, dessa forma, contribuindo para a garantia de uma amostragem mais precisa.

A sonda DTS-12 realiza 100 leituras ao longo de cinco segundos e, em seguida, calcula, exibe

e registra a média, variância, mediana e valores máximos e mínimos no intervalo de tempo

desejado. Esta análise estatística compensa picos e "limpa" as informações, proporcionando uma

adequada medição da turbidez.

Os dados interpretados pelas sondas foram armazenados em um logger modelo H500 XL

(Figura 3b), produzido pela empresa Design Analysis Associates INC.


(a)

(b)

Figura 3 – (a) Sonda DTS 12 e (b) Logger H500 XL.

3.3.1. Procedimentos e analises de laboratório

As amostras de sedimento em suspensão, coletados em cada bacia, foram inicialmente secas

em estufa, a uma temperatura de 105°C, durante um período de 24 horas e depois transferidas para

um dessecador; onde permaneceram por cerca de 60 minutos.

A Tabela 1 expõe os valores totais de materiais coletados em cada bacia, as frações destinadas

para determinação da curva granulométrica do material em suspensão, bem como, as faixas de

valores fracionados para execução do procedimento de calibração das sondas de turbidez.

Tabela 1 - Material utilizado para determinação da granulometria e CSS no processo de calibração

das sondas de turbidez Bacia hidrográfica Taboão Turcato Donato

Amostra total (g) 77,07 245,39 26,22

Amostra granulometria (g) 38,53 102,08 13,33

Concentrações adotadas

para a calibração (g/L)

0,01; 0,02; 0,03; 0,04;

0,05; 0,06; 0,07; 0,08;

0,09; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5;

0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 2,0;

3,0; 5,0; 6,0 e 8,0

0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05;

0,06; 0,07; 0,08; 0,09; 0,1;

0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7;

0,8; 0,9; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0;

8,0 e 12,0

0,01; 0,02; 0,03; 0,04;

0,05; 0,06; 0,07; 0,08;

0,09; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4;

0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1,0;

5,0; e 12,0

Após o fracionamento, as amostras foram pesadas em balança eletrônica de precisão (quatro

casas decimais de precisão) e acondicionadas em beckers de 50mL.

A granulometria do material em suspensão foi obtida utilizando-se peneiramento seguido da

pipetagem, conforme procedimento descrito em Carvalho (2008).

Na determinação da estabilidade da sonda de turbidez, realizou-se leituras durante três

minutos para cada uma das soluções padrões: 0 NTU, 60 NTU, 125 NTU, 700 NTU, 1000 NTU e

1500 NTU. Os valores registrados foram então comparados com os valores teóricos da solução

padrão.


Para a identificação da relação entre a concentração de sedimentos em suspensão e a turbidez

(registrada pela sonda) a cada uma das amostras fracionadas (descritas na Tabela 1) foi adicionado

1000 mL de água deionizada, em uma jarra de cor preta e opaca, conforme sugerido por Chauncey

(2005) com capacidade de 2,1 L e instrumento misturador acoplado. Essas amostras foram então

agitadas manualmente durante um minuto e, a seguir, a sonda foi imersa na mistura para realizar,

durante três minutos, 100 leituras de turbidez a cada cinco segundos; registrando a média dessas

leituras a cada 30 segundos.

A Figura 4 mostra as etapas do processo de verificação da turbidez com agitação manual e os

instrumentos utilizados.

Figura 4 – Etapas do processo de verificação da turbidez com agitação manual e instrumentos

utilizados: (a) recipiente para homogeneização da mistura água-sedimento e “misturador” utilizado

para agitar a solução; (b) dissolução dos sedimentos; (c) processo de homogeneização da mistura

água-sedimento e; (d) sonda DTS-12 realizando as leituras de turbidez (NTU).

Com base nessas leituras realizadas e conhecendo-se, previamente, a concentração de

sedimentos em suspensão foi então possível construir a relação entre CSS e a turbidez, para cada

bacia em particular. Na determinação dos parâmetros de cada equação de ajuste utilizou-se a

ferramenta solver do Excel®, buscando minimizar o erro relativo entre os dados de CSS calculados

a partir das equações de turbidez ajustadas e os valores de concentração teóricos estabelecidos na

Tabela 1, conforme equação (4).

teórica

calculadateórica

CSS

CSSCSSrelativoerro

_

(4)

Nesse processo buscou-se, ainda, analisar o ajuste de distintos modelos para a faixa de

concentração de sedimentos em suspensão até 100 mg/L e superior a 100 mg/L. Nesse caso, o erro

relativo foi calculado pela soma dos erros para cada faixa de concentração e os parâmetros dessas

equações foram determinados com base na minimização desse erro na faixa considerada.

É interessante salientar, que a agitação da solução fez-se de forma vertical e, uma vez cessado

esse movimento e inserida a sonda na amostra, iniciou-se o processo de decantação dos sedimentos,

conforme o tamanho das partículas existentes. Entretanto, como se tem conhecimento, o movimento

de deslocamento das partículas na calha do rio difere dessa condição, caracterizando-se por

a d c b


deslocamento horizontal no sentido do fluxo; ainda que a deposição/decantação das partículas dê-se

no sentido vertical. Essas características somadas às condições do regime de escoamento e às

propriedades das partículas existentes poderão incorrer em erros nesse processo de calibração

realizado em laboratório e, por isso, é essencial a verificação in situ das curvas determinadas

experimentalmente.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1. Granulometria do material em suspensão

A distribuição granulométrica dos sedimentos possibilita o conhecimento do tipo de

sedimento que está sendo gerado e transportado na área em estudo e essa é uma informação

importante, pois, segundo Carvalho (2008), o deslocamento e o transporte do sedimento dependem

da forma, tamanho, peso da partícula e das forças exercidas pela ação do escoamento. A Tabela 2

apresenta a caracterização geral dos sedimentos coletados e a Figura 5 ilustra as curvas

granulométricas de distribuição dos materiais coletados nas três bacias.

Tabela 2 - Classificação do material coletado com uso de amostrador Torpedo.

Bacia Areia (%) Silte (%) Argila (%)

Donato 60,52 22,57 16,91

Turcato 59,20 19,92 20,87

Taboão 52,16 22,11 25,73

Figura 5- Granulometria do material coletado nos torpedos: Classificação granulométrica da

American Geophysycal Union (DNAE, 1970 apud Carvalho, 2008).


Pode-se observar que a maior parte do material coletado classifica-se como areia, enquanto

que o solo predominante na região é composto, sobretudo, por argila e silte (Figura 1). Essa

superioridade da fração areia no material coletado pode estar relacionada à posição do amostrador

em relação à coluna d’água, tendo-se em vista que os equipamentos amostradores (torpedos) foram

instalados em uma profundidade próxima ao leito do canal o que, consequentemente, pode ter

condicionado a coleta de partículas mais pesadas, que se deslocam junto ao leito.

Diante destas constatações conjectura-se que o elevado índice de areia no material coletado

pode estar relacionado ao processo erosivo no leito do canal e às características de transporte e

deposição das partículas de sedimento.

A Tabela 3 apresenta uma descrição geral dos diâmetros das partículas coletadas para as

porcentagens acumuladas de 20%, 35%, 50%, 65% e 90%.

Tabela 3 - Descrição dos diâmetros das partículas de sedimento para as porcentagens acumuladas de

20%, 35%, 50%, 65% e 90%.

Bacia Diâmetro

D20 D35 D50 D65 D90

Taboão 0,280 0,170 0,098 0,024 0,0026

Donato 0,380 0,240 0,140 0,078 0,0027

Turcato 0,380 0,220 0,130 0,070 0,0028

O diâmetro D65 é maior para a bacia do Donato (0,078 mm) seguido pelas bacias do Turcato

(0,070 mm) e Taboão (0,024 mm); caracterizando o material como silte nesta última bacia e areia

fina para as duas primeiras. O conhecimento desses parâmetros tem fundamental importância

quando se deseja utilizar métodos empíricos para o cálculo das cargas de sedimentos em uma bacia.

4.2. Estabilidade da sonda de turbidez

No intervalo de três minutos em que se monitorou a turbidez obteve-se sete valores médios de

leitura da turbidez para cada uma das soluções padrões consideradas (0, 60, 125, 700, 1000 e 1500

NTU). Esses valores das soluções padrões foram conferidos com turbidímetro de bancada (2100N

Turbidimeter) a fim de estabelecer a real turbidez de cada amostra. Esse procedimento foi realizado

por perceber-se que poderiam haver divergências no valor da turbidez em relação ao que se adotava

como valor teórico, uma vez que essas amostras foram obtidas através da diluição de uma amostra

base de 3000 NTU.

Na Tabela 4 são apresentados os valores de turbidez das soluções padrões (teórica e registrada

pelo turbidímetro), a turbidez média calculada a partir das informações de leitura da sonda (para

cada solução padrão) e o erro (diferença) entre o valor medido e o valor padrão considerado. Um

sinal positivo (+) para o erro indica que a sonda superestimou o valor da turbidez medida em


relação à turbidez teórica da solução padrão e, um sinal negativo (-) mostra que a sonda subestimou

o valor da turbidez avaliado em relação à turbidez teórica da solução padrão.

Tabela 4 - Descrição geral dos valores de turbidez medidos durante o processo de verificação da

estabilidade das sondas

NTU Sinal NTU Sinal NTU Sinal

0 0,00 0,26 0,26 + 0,00 0,00 - 0,00 0,00 -

60 61,10 56,89 4,21 - 51,87 9,23 - 60,25 0,85 -

125 126,00 117,98 8,02 - 103,50 22,50 - 120,22 5,78 -

700 692,00 594,94 97,06 - 564,68 127,32 - 655,05 36,95 -

1000 942,00 812,38 129,62 - 782,90 159,10 - 886,93 55,07 -

1500 1530,00 1335,67 194,33 - 1388,71 141,29 - 1388,81 141,19 -

0,9999

R²

Valor

verificado

(NTU)

Erro

R²

0,9983 0,9997

Bacia: Donato

Valor

verificado

(NTU)

ErroTeórica

(NTU)

Turbidímetro

(NTU)

Valor

verificado

(NTU)

Erro

R²

Solução padrão Bacia: Taboão Bacia: Turcato

Observa-se que o maior coeficiente de correlação entre os dados de turbidez medidos pela

sonda e os verificados pelo turbidímetro foi obtido para a bacia do Taboão, seguido pelas bacias do

Donato e Turcato. Já os menores erros entre os valores medidos e os lidos pelo turbidímetro foram

constatados para a bacia do Donato, Taboão e Turcato, respectivamente.

No entanto, percebe-se que apesar do elevado coeficiente de relação entre os dados medidos e

os verificados pelo turbidímetro, existem algumas diferenças entre esses valores; o que é

evidenciado quando se observa o erro da medida (diferença entre o valor de turbidez medido pela

sonda e o valor da solução padrão verificado no turbidímetro). Em geral, essas diferenças são

superiores à precisão de 2% para valores de turbidez entre zero e 500 NTU e 4% para valores entre

500 e 1600 NTU, conforme estabelecidos pelo fabricante da sonda (FTS, sd). Além disso, percebe-

se que as três sondas de turbidez geralmente subestimam as leituras da turbidez em relação à

turbidez padrão determinada pelo turbidímetro.

A Figura 6 mostra a relação entre as leituras da sonda de turbidez e os valores da solução

padrão medidos pelo turbidímetro. Pode-se evidenciar a existência de um comportamento linear

entre os dados medidos pela sonda e os valores de turbidez da solução padrão verificados pelo

turbidímetro para a faixa entre zero e 1500 NTU.


Figura 6- Relação entre as leituras da sonda de turbidez e os valores da solução padrão (medidos

pelo turbidímetro)

4.3. Relação entre turbidez e concentração de sedimentos

As leituras de turbidez foram realizadas para um intervalo de três minutos, dos quais

resultaram 7 medidas de turbidez média para cada uma das sondas. Após avaliação estatística dos

dados eliminou-se das análises subsequentes a primeira e a última leitura, em virtude do elevado

número de outliers e extremos encontrados nessas verificações. De posse da turbidez média

calculada para cada concentração de sedimentos em suspensão foi possível estabelecer a correlação

entre o sinal da turbidez (em NTU) e a CSS (em mg/L).

A Tabela 5 apresenta, para a bacia do Taboão, os parâmetros das equações e o erro relativo

para cada um dos modelos ajustados, bem como, o coeficiente de correlação entre os dados de CSS

calculados e os valores teóricos de CSS e, ainda, a avaliação da característica do ajuste;

descrevendo se o modelo subestima ou superestima o valor de CSS.

Observa-se que à exceção do modelo linear, as equações ajustadas apresentam um erro

relativo próximo, sendo o melhor ajuste (menor erro relativo) determinado para o modelo

polinomial. Além disso, o coeficiente de correlação entre as concentrações teórica e calculada é, em

média, superior a 96%. Há que se destacar que os ajustes polinomial e linear (<100 mg/L) estão

limitados a uma concentração mínima de, aproximadamente, 12 mg/L para valores de turbidez nula;

sugerindo que pode ser mais interessante utilizar o modelo potencial quando for necessária a

determinação de concentrações inferiores a esse valor.


Tabela 5 - Descrição dos parâmetros das equações dos modelos de ajuste, coeficiente de correlação,

erro relativo e características do ajuste para a bacia do Taboão.

Parâmetros Potência Polinômio Linear Linear (< 100 mg/L) Potência (>100 mg/L)

y = axb y = ax² + bx + c y = ax + b y = ax + b y = ax

b

a 1,58037527 4,19152619E-4 2,91420866 2,59470709 1,86414763

b 1,09552662 2,59401097 -60,19368363 -11,70214066 1,06748709

c - -11,72566043 - - -

R² 0,9729 0,9746 0,9698 0,9743 0,8915

R² médio = 0,972

Cálculo CSS Subestima Subestima Subestima Subestima Subestima

Erro relativo 2,95 2,03 12,26 1,04 1,053

Erro relativo total = 2,092 R²: expressa a correlação entre a concentração de sedimento calculada pelo modelo de ajuste e a concentração teórica de

sedimentos

O ajuste linear, utilizando uma única equação para toda a faixa de turbidez, demonstrou uma

relação negativa entre turbidez e CSS para concentrações inferiores a 50 mg/L, ou seja, menores

valores de turbidez estariam associados a maiores concentrações de sedimento; o que logicamente

não traduz a realidade. Portanto, embora o ajuste tenha resultado em uma adequada correlação entre

a CSS calculada e a CSS teórica, o modelo não satisfaz as características reais de variação da

turbidez em função da CSS.

Em relação ao cálculo de CSS pelas equações ajustadas, pode-se dizer que em geral os

modelos subestimam o valor da concentração de sedimentos calculada, embora o ajuste para as

faixas de concentração menor e maior do que 100 mg/L tenham originado um número semelhante

de estimativas subestimadas e superestimadas, com pequena superioridade do valores subestimados.

Em média encontrou-se nove valores de CSS superestimados e 15 valores de CSS subestimados,

por modelo, para um total de 24 concentrações de sedimento em suspensão calculadas.

A Figura 7 mostra a melhor equação ajustada (modelo polinomial) entre a turbidez e a

concentração de sedimentos em suspensão para a bacia do Taboão. As leituras de turbidez

realizadas pela sonda são limitadas para concentrações de sedimento acima de 6000 mg/L.

A Tabela 6 exibe os parâmetros de ajuste e o erro relativo dos modelos e ainda, o coeficiente

de correlação entre os dados de concentração dos sedimentos calculados e os valores teóricos de

concentração para a bacia do Turcato. Também são apresentadas as características de cada ajuste

em relação a superestimativa ou subestimativa de CSS calculada.

Percebe-se que os diferentes modelos ajustados apresentam erros relativos semelhantes, sendo

os menores erros verificados para o modelo linear na faixa de concentração até 100 mg/L e

potencial para CSS<100 mg/L. Já o coeficiente de correlação entre a concentração de sedimentos

em suspensão calculada pelas equações e a concentração de sedimento teórica é superior a 97%.


Figura 7 - Modelo de ajuste polinomial entre turbidez e concentração de sedimentos em suspensão

na bacia do Taboão


erro relativo e características do ajuste para a bacia do Turcato.

Parâmetros Potência Polinômio Linear Linear (< 100 mg/L) Potência (>100 mg/L)


b

a 2,92664786 7,49039644E-4 3,51898867 3,32329970 2,36636361

b 1,03905020 3,38752998 -0,75704783 -0,14180775 1,07689775

c - -0,38714108 - - -

R² 0,9764 0,9765 0,9760 0,9806 0,9068

R² médio = 0,977

Cálculo CSS Subestima Subestima Superestima Superestima Subestima

Erro relativo 2,10 2,17 2,31 0,95 1,10

Erro relativo total = 2,049

R²: expressa a correlação entre a concentração de sedimento calculada pelo modelo de ajuste e a concentração teórica de sedimentos

A Figura 8 expõe os modelos de ajuste entre a turbidez e a concentração de sedimentos em

suspensão, na bacia do Turcato, para CSS≤100 mg/L (modelo linear) e CSS>100 mg/L (modelo

potencial).

No referente à CSS calculada pode-se dizer que, os modelos ajustados geralmente subestimam

a concentração de sedimentos calculada, à exceção do modelo linear para CSS≤100 mg/L

(superestima todos os valores). Além disso, observou-se que o número de valores superestimados e

subestimados é praticamente o mesmo entre os diferentes modelos, sendo que o modelo potencial

para CSS>100mg/L subestimou todos os valores de CSS calculados. Em média encontraram-se dez

valores de CSS superestimados e 13 valores de CSS subestimados, por modelo, para um total de 24

concentrações de sedimento em suspensão calculadas.


Figura 8- Modelo de ajuste entre a turbidez e a concentração de sedimento, na bacia do Turcato,

para CSS≤100 mg/L (modelo linear) e CSS>100 mg/L (modelo potencial).

Salienta-se que, para valores de turbidez nula, o ajuste polinomial está limitado a

concentrações de sedimentos em suspensão de aproximadamente 0,40 mg/L, enquanto que os

modelos lineares estão limitados a 0,76 e 0,14 mg/L.

A Tabela 7 mostra, para a bacia do Donato, os parâmetros das equações e o erro relativo de

cada modelo ajustado e, além disso, apresenta o coeficiente de correlação entre os dados de

concentração de sedimento calculados e os valores teóricos de concentração, bem como, as

características de cada ajuste em relação a subestimativa ou superestimativa de CSS calculada.


erro relativo e características do ajuste para a bacia do Donato.

Parâmetros Potência Polinômio Linear Linear (< 100 mg/L) Potência (> 100 mg/L)


b

a 2,01393407 1,38839012E-4 -3,67206767 3,75657266 3,03088967

b 1,11069808 3,63944307 13,20396812 -13,74725359 1,03193586

c - -13,00202182 - - -

R² 0,9610 0,9582 -0,9559 0,9087 0,9521

R² médio = 0,957

Cálculo CSS Subestima Subestima Subestima Subestima Subestima

Erro relativo 3,83 3,09 3,15 2,12 0,95

Erro relativo total = 3,075 R²: expressa a correlação entre a concentração de sedimento calculada pelo modelo de ajuste e a concentração teórica de

sedimentos


Observa-se, mais uma vez, que os erros relativos são muito semelhantes para as diferentes

equações ajustadas e, além disso, a correlação entre os valores de concentração de sedimento

calculados e a concentração de sedimento teórica são superiores a 95%. Entretanto, o modelo linear

que emprega uma única equação de ajuste mostrou correlação negativa entre as concentrações

calculada e teórica, não representando o real comportamento da turbidez em relação à concentração

de sedimentos, ou seja, essa equação resultou em valores de turbidez menores para maiores

concentrações. Vale salientar ainda, que os modelos polinomial e lineares estão limitados a uma

concentração de sedimentos aproximada de 13 mg/L para valores nulos de turbidez.

Já a concentração de sedimentos em suspensão calculada foi subestimada para todos os

modelos de ajuste. Foi possível notar, ainda, que o número total de valores de CSS subestimados e

superestimados é muito semelhante entre as diferentes equações ajustadas, sendo que em média

encontrou-se oito valores de CSS superestimados e 12 valores de CSS subestimados, por modelo,

para um total de 20 concentrações de sedimento em suspensão calculadas.

A Figura 9 expõe a melhor relação de ajuste estabelecida entre a turbidez e a concentração de

sedimentos em suspensão na bacia do Donato para CSS≤100 mg/L (modelo linear) e CSS>100

mg/L (modelo potencial). A exemplos das leituras de turbidez nas demais bacias, evidencia-se que

em CSS superiores a 6000 mg/L a sonda DST-12 não consegue realizar uma verificação satisfatória

da turbidez, devido a limitações do equipamento de medida.

Figura 9- Modelo de ajuste entre turbidez e concentração de sedimentos em suspensão na bacia

Turcato para (a) CSS≤100 mg/L (ajuste linear) e (b) CSS>100 mg/L (ajuste potencial).


A Tabela 8 demonstra a média dos valores de CSS superestimados e subestimados por cada

um dos modelos ajustados para as bacias do Taboão, Turcato e Donato. Pode-se observar que, para

as bacias do Turcato e Donato, os erros dos valores superestimados quando se calcula a CSS pelos

diferentes modelos são, em geral, superiores aos erros dos valores de CSS que foram subestimados.

Já para a bacia do Taboão, os erros dos valores de CSS superestimados são geralmente menores do

que os valores de CSS subestimados.

Tabela 8 - Erros relativos dos valores de CSS superestimados e subestimados para cada modelo de

ajuste nas bacias do Taboão, Turcato e Donato.

Superestimativa

Média (% )

Subestimativa

Média (% )

Superestimativa

Média (% )

Subestimativa

Média (% )

Superestimativa

Média (% )

Subestimativa

Média (% )

Polinômio 5,24 10,42 14,80 5,29 19,55 12,69

Potência 13,94 11,10 11,46 7,37 14,48 13,62

Linear 1,52 53,36 13,54 7,37 3,99 14,07

Linear (<100 mg/L) 7,69 12,18 9,47 - 9,14 8,80

Potência (>100 mg/L) 2,89 11,00 - 8,47 4,05 13,16

Média geral (% ) 6,26 19,61 12,32 7,13 10,24 12,47

Modelo

Taboão Turcato Donato


A Figura 10 exemplifica, para a bacia do Turcato, a W em relação ao D e, também, em

analogia com as leituras de turbidez realizadas pela sonda.

Observa-se que as leituras de turbidez decrescem ao longo do tempo, do que se supõe ser uma

consequência do processo de decantação das partículas de sedimento, que por sua vez, depende da

velocidade de queda da partícula. Percebe-se, ainda, que essa queda é mais acentuada quanto menor

for a concentração de sedimentos; fenômeno esse que é explicado por Bradley & McCutcheon

(1987) e Simons & Sentürk (1992) ao afirmarem que a W decresce, progressivamente, com o

aumento da CSS que estão dispersos na água e, por decorrência, com o aumento da turbidez, pois

quanto maior a CSS, em teoria, maior é a turbidez. Ainda segundo os autores, a W também pode ser

explicada em função do D, sendo mais acentuada quanto maior for esse diâmetro ou, em outras

palavras, a W é diretamente proporcional ao seu diâmetro. De fato, esse comportamento da

proporcionalidade da velocidade de queda da partícula em relação a seu diâmetro pode ser

evidenciado na Figura.

Cabe salientar aqui que os experimentos foram realizados a uma temperatura de 14ºC para a

bacia do Taboão, 20ºC para a bacia do Turcato e 15ºC para a bacia do Donato e, portanto, a

viscosidade da água considerada foi 1,16; 1,15 e 1,01, respectivamente. Entretanto, embora os

valores de viscosidade encontrados diferissem entre si, a tendência de sedimentação das partículas

foi semelhante para as três bacias.


Figura 10- Velocidade de queda da partícula em função de seu diâmetro e em relação a variação da

turbidez no decorrer do tempo, com intervalo de 30 segundos entre leituras, para a bacia do Turcato.

5. CONCLUSÕES

As sondas de turbidez mediante calibração e possibilidade de limpeza automática de sua

lente mostram-se adequadas para o acompanhamento contínuo da CSS, contudo é necessário

cuidado com o processo de calibração e verificação in situ das equações ajustadas. Nesse trabalho,

os modelos de ajuste entre turbidez e CSS mostraram forte correlação, os erros relativos foram

muito próximos para as três sondas. Entretanto, as estimativas de CSS através de equações ajustadas

por calibração em laboratório, em geral, foram subestimadas pelos modelos de ajuste.

BIBLIOGRAFIA

BRADLEY, J.B.; McCURCHEON. (1987). Suspended Load in Gravel-bed Rivers, in. Sediment

Transport in Gravel-Bed Rivers. Org. por Thorne, C.R.; Bathurst, J.C.; HEY, R. D. London – UK.

Wiley-Interscience Publication. pp. 645-734.

CARVALHO, N. de O. (2008). Hidrossedimentologia prática. 2ª ed., rev., atual e ampliada. Rio de

Janeiro: Interciência, 599p.

CHAUNCEY, W. A.; (2005) Turbidity 6.7. U.S. Geological Survey Techniques of Water-

Resources Investigations, book 9, chap. A6, 55p.

CASTRO, N. M. R. (1996). Ruissellement et érosion sur des bassins versants de grande culture du

plateau basaltique du sud du Brésil (Rio Grande do Sul). 224p. Tese (doutorado) - Université Louis

Pasteur, Strasbourg.

FTS (sd). World’s Best Instream Turbidity Sensor. ISO-SM-B-033 Rev 2. Disponível em:

www.ftsinc.com. Acessado em: julho de 2012

FOSTER, I.D.L.; MILLINGTIN, R.; GREW, R.G. (1992). The impact of particle size controls on

stream turbidity measurement; some implications for suspended sediment yield estimation. In:

http://www.ftsinc.com/


Erosion and Sediment Transport Monitoring Programmes in River Basins (Proceedings of the Oslo

Symposium, (1992). IAHS Publ. no. 210. pp. 51-62.

GAO, P.; PASTERNACK, G.B.; BALI, KHALED, M.; WALLENDER, W.W. (2008). Estimating

Suspended Sediment Concentration Using Turbidity in an Irrigation-Dominated Southeastern

California Watershed. Journal of Irrigation Drainage Engenary. 134. pp.250-259.

GIPPEL, C.J. (1989). The use of turbidimeters in suspended sediment research. Hydrobiologia

176/177, pp. 465–480.

GIPPEL, C.J. (1995). Potential of turbidity monitoring for measuring the transport of suspended

solids in streams. Hydrological Processes 9, pp. 83–97.

GIRARDI, R.V., CASTRO; N.M. de, PINHEIRO, A.; GOLDENFUN, J.A.; SILVEIRA, A.L.L. da.

(2011). Avaliação do efeito de escala em características de chuva e vazão em sub-bacias embutidas

da bacia do Potiribu – RS. Revista Brasileira de Recursos hídricos (ABRH), v. 16, n. 2, pp. 49-63.

GURNELL, A.M., WARBURTON, J. (1990). The significance of suspended sediment pulses for

estimating suspended sediment load and identifying suspended sediment sources in alpine glacier

basins. IAHS Spec. Publ. 193, pp. 463– 470.

LEWIS, J. (1996). Turbidity-controlled suspended sediment sampling for runoff-event load

estimation. Water Resources Research. 32, NO. 7, pp. 2299-2310.

LEWIS, J. (SD). Turbidity-controlled sampling for suspended sediment load estimation. USDA

Forest Service, Pacific Southwest Research Station, 1700, Arcata, California, 8p.

MINELLA, J.P.G.; MERTEN, G. H.; REICHERT, J. M.; CLARKE, R. (2008a). Estimating

suspended sediment concentrations from turbidity measurements and the calibration problem.

Hydrological Processes 22, pp. 1819–1830.

MINELLA, J.P.G. MERTEN, G.H.; REICHERT, J.M.; ROLOFF, O.A.; ABREU A. e S. (2008b).

Aspectos da calibração de turbidímetros para a estimativa da concentração de sedimentos em

suspensão em suspensão In: Anais do 8º Encontro Nacional de Sedimentos, Campo Grande. ABRH,

2008.

NAVRATIL, O.; ESTEVES, M.; LEGOUT, C.; GRATIOT, N.; NEMERY, J.; WILLMORE, S.;

GRANGEON, T. (2011). Global uncertainty analysis of suspended sediment monitoring using

turbidimeter in a small mountainous river catchment. Journal of Hydrology, 398, pp. 246–259.

OLD, G.H.; LEEKS, G.J.L.; PACKMAN, J.C.; SMITH, B.P.G.; LEWIS, S.; HEWITT, E.J.;

HOLMES, M.; YOUNG, A.(2003). The impact of a convectional summer rainfall event on river

flow and fine sediment transport in a highly urbanised catchment: Bradford, West Yorkshire. The

Science of the Total Environment 314 –316. pp. 495–512.

ORWIN, J.F.; SMART, C.C. (2005). An inexpensive turbidimeter for monitoring suspended

sediment. Geomorphology 68, pp. 3 –15.

PARANHOS, R.M.; PAIVA, J. B. de; (2005). Hydro-sedimentological monitoring in a small

watershed: instrumentation and results. In: Sediment Budgets Symposium – VII IAHS Scientific

Assembly, Foz do Iguaçu, PR, Brazil, 2005. 7p.

RUBEY, W. W. (1933). Settling Velocities of gravel, Sand and Silt. American Journal of Science.

25. pp. 325-338.

SILVA JUNIOR O.B da (2001). Análise da escala das variáveis hidrológicas e do uso do solo na

bacia do Potiribu – RS. Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Recursos

Hídricos e Saneamento Ambiental da UFRGS. Porto Alegre, 200p.

SIMONS, D.B. & SENTÜRK. F. (1992) Sediment transport technology – Water and sediment

dynamics. Ed. Water Resources Publications, P.O. Box 2841, Colorado, U.S.A., 897p.

SUN, H.; CORNISH, P.S.; DANIELL, T.M. (2001). Turbidity-based erosin estimation in a

catchment ins South Australia. Journal of Hydrology 253. pp. 227-238.

WASS, P.D.; LEEKS, G.J.L. (1999). Suspended sediment fluxes in the Humber catchment, UK.

Hydrological Processes. 13, pp. 935-953.

WMO (2003). Manual on Sediment Management and Measurement. World Meteorological

Organization. Operational Hydrology Report nº 47, Geneva , Switzerland, 159 p.

YANG, C. T. (2003). Sediment Transport, Theory and Practice, New York, Ed. Krieger, 396p.

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CALIBRAÇÃO DE SONDAS DE TURBIDEZ EM …...O objetivo desse trabalho foi a calibração de três sondas de turbidez (DTS-12) a partir da utilização de amostras de sedimentos em