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Sistemas Estuarinos Costeiros Carlos Ruberto Fragoso Júnior, Centro de Tecnologia, UFAL MÓDULO III: Processos de Transporte em Estuários

Sistemas Estuarinos Costeiros Carlos Ruberto Fragoso Júnior, Centro de Tecnologia, UFAL MÓDULO III: Processos de Transporte em Estuários

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Sistemas Estuarinos Costeiros

Carlos Ruberto Fragoso Júnior, Centro de Tecnologia, UFAL

MÓDULO III:

Processos de Transporte em Estuários

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OBJETIVO

Aprender simples técnicas de estimativas relacionadas à qualidade da água e suas aplicações. Estas estimativas são ferramentas importantes que ajudam o entendimento do estuário e ajudam o acesso de técnicas mais complexas.

Estas técnicas podem ser utilizadas para uma avaliação premilinar no estuário.

SIMPLES ESTIMATIVAS DE QUALIDADE DA ÁGUA

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CONTEÚDO:

I Conceitos e definições

II Diluição

III Balanço de Massa

IV Análise de salinidade

V Tempo de residência

SIMPLES ESTIMATIVAS DE QUALIDADE DA ÁGUA

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I CONCEITOS E DEFINIÇÕES

MODELOS (Estimativas):

Ferramentas que nós usamos para tentar prever razoavelmente consequências de várias ações.

Modelos utilizam equações matemáticas para representar a realidade e nos oferecer estimativas de prováveis resultados

Em particular aqui, nós desenvolvemos modelos para prever impactos das cargas na qualidade da água

Por exemplo. Se nós aumentassemos a carga de N para 100kg por mês qual seria a concentração de fitplâncton?

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Concentração:

C = massa por unidade de volume

e.g. mg/l

Note: Concentração (M/V) x taxa de escoamento (V/T) = massa/taxa (M/T)

Diluição:

S = volume de uma amostra/ volume de efluente na amostra

p = 1/S

= concentração relativa

[ p: 1/S = 0 água pura]

Fluxo:

Quantidade de massa que passa através de uma área em um determinado tempo

Exemplo:Volume da amostra = 1000mLVolume de efluente = 50mlS = 1000/50 = 20 i.e. realizou 20 diluições

I CONCEITOS E DEFINIÇÕES

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Estado Permanente e não Permanente:

• Estado Permanente implica que as variáveis dentro do sistema não mudam com o tempo.

•eg rios podem apresentar estado permanente por períodos

• Não permanente implica que as variáveis mudam com respeito ao tempo.

•eg estuários usualmente não apresentam estado permanente – maré semi-diurna

I CONCEITOS E DEFINIÇÕES

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Capacidade assimilativa depende da mistura e diluição:

Estuário – Grande volume e bem misturado

- Pouco volume e mal misturado

Assim impactos na qualidade da água são devidos a uma

combinação de cargas de poluentes e características do

corpo receptor

I CONCEITOS E DEFINIÇÕES

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II DILUIÇÃO

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Problemas próximo ou afastado da fonte apresentam diferentes taxas e comportamentos:

• Difusor realiza rápida diluição inicial O(100)

•Dentro de horas a diluição incremental é da

ordem de O(5-10)

•Padrões de circulação locais influenciam

significativamente a diluição

II DILUIÇÃO

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Exemplo de diluição:

• Considere um efluente com DBO = 350mg/l

• Concentração no corpo receptor de DBO = 2mg/l

• Diluição 350/2 = 175

Este calculo dita frequentemente o projeto de emissários

II DILUIÇÃO

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III BALANÇO DE MASSA

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Os processos ambientais são baseados em três fundamentais leis da física:

• Conservação da energia

• Conservação do momento

• Conservação da massa

Massa não pode ser criada ou destruída, mas meramente transferida ou transformada

III BALANÇO DE MASSA

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Massa entrando em um sistema =

Mudança de massa no sistema + massa saindo

Massa que entra – massa que sai = mudança da massa no sistema

Trecho de rio

M que entra

M_que sai

III BALANÇO DE MASSA

dt

dMMM

saientra

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Aplicação do balanço de massa (estado permanente)

Ponto A: Rio Qr = 10m3/s

Cr = 3mg/l DBO

Efluente Qd = 0.5m3/s

Cd = 300mg/l DBO

Encontre a concentração de DBO no rio em B:

QB x CB = Qr x Cr + QA x CA

or CB = Qr x Cr + QA x CA

QB

= 17.1mg/l

A

B

Q = taxa de escoamento C = concentração de DBO

Condição de regime permanente

III BALANÇO DE MASSA

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Usado para uma avaliação preliminar:

• Rios com múltiplos lançamentos de

efluentes e tributários

• Estuários lineares simples

• Diluição inicial após o ponte de

emissão do efluente

III BALANÇO DE MASSA

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Modelos de dimensão zero

• Assume que toda a massa é uniformemente misturada em todo o volume

• Reator de mistura completa

• Simples exemplo

Volume (V) = 283x106 m3

Entrada de Mg (M) mensal = 100kg

Concentração média = M/V

= 0.35g/l

III BALANÇO DE MASSA

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IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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A partir de medições distribuídas de salinidade em um estuário:

• Razão de troca por maré

• Concentrações aproximadas dos poluentes

• Condições iniciais da qualidade da água

• Diluições

• Capacidade assimilativa e residência

• Coeficientes de dispersão

• Estratificação

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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Razão de troca por maré (R) : razão entre o volume de água de boa qualidade que vem do oceano e o volume total de água que entra durante uma maré enchente.

Quanto maior R => melhor a diluição e mistura

So

Sf

SeR = (Sf – Se)/(So-Se) OR

R = [Se/(So-Se)]/(Vr/Vf)

Vf

Vr

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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Dado um lançamento de um poluente:

faça a previsão da concentração no estuário!

• Use a distribuição de

salinidade como um guia

• No ponto de emissão,

assuma que a água do

oceano é diluída,

mistura-se com o

efluente e a água do

tributário e retorna para

o mar

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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Volume de diluição do lançamento:

Do balanço de massa de sal:

QoSo = (Qo+Qe+Qf)S

Qo = (Qe+Qf)S/(So-S)

Vazão total para diluição do

efluente:

Qd = Qo+Qe+Qf

= (Qe+Qf)So/(So-S)

∴ Conc. Média do efluente

próximo ao ponto de emissão:

Cd = We/Qd , onde We =

Ce.Qe

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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Exemplo: Diluição de efluente (Parte A)

• Uma industria lança 0,5m3/s de um efluente contendo 5mg/l de uma sustância química tóxica. A vazão mínima do tributário (rio afluente) é de 10m3/s.

• Medições de salinidade no ponto de lançamente e nas águas costeiras oceânicas são de 19ppt e 33ppt, respectivamente.

• Estime a concentração média da substância tóxica na vizinhança do lançamento.

Solução:

i) Estime o volume de diluição do efluente Qd = (Qe+Qf)So/(So-S)

= (0,5 + 10) x 33 / (33 – 19)

= 24,75m3/s

ii) Estime a concentração média C = W/Qd

= 5 x 0,5 / 24,75

= 0,1mg/l

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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Concentrações a montante e a jusante do lançamento

(Material conservativo)

Montante: Poluente diluído similar a diluição da salinidade

MAR

Ponto de lançamento - d

X

SALINIDADE

So

Sx

SdConcentração a montante em X:

Cx = Cd(Sx/Sd)

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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Concentrações a montante e a jusante do lançamento

(Material conservativo)

Jusante: Poluente diluído similar à água doce

MAR

Ponto de lançamento - d

X

SALINIDADE

So

Índice de água doce

(So – Sx)(So – Sd)

Concentração a jusante em X:

Cx = Cd(So-Sx)/(So-Sd)

Índice de água doce = (So – Sx)/So

0 -> 1

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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Exemplo: Diluição de efluente (Parte B)

• Mesmas condições do problema anterior (Parte A)

• Medidas de salinidade: a) ponto a jusante do lançamento 24ppt

b) ponto a montante do lançamento 5ppt

• Estime a concentração média de uma substância tóxica nestes dois pontos:

Solução:

i) Concentração a jusante C = 0,1 x (33-24)/(33-19)

= 0,064mg/l

ii) Concentração a montante C = 0,1 x 5 / 19

= 0,026mg/l

0.1

mg/l

MAR

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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Grade de qualidade da água inicial – medições de qualidade da água

0.016 m g/l

0.018 m g/l

0.020 m g/l

0.022 m g/l

0.024 m g/l

0.026 m g/l

0.028 m g/l

0.030 m g/l

0.032 m g/l

0.034 m g/l

OrtofosfatoSalinidade

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

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Cork Harbour:

BOD (mg/l) = 3.17 - 0.0762 (SAL)

TN(mg/l N) = 5.36 - 0.145 (SAL)

TAN(mg/l N) = 0.335 - 0.00742 (SAL)

TON(mg/l N) = 4.41 - 0.127 (SAL)

DO(mg/l) = 10.67 + 0.202 (SAL) + 0.00524 (SAL)2

TP (mg/l P) = 0.173 - 0.00375 (SAL)

SRP (mg/l P) = 0.0992 - 0.00214 (SAL)

CHL (mg/m3) = 2.311*SAL

IV ANÁLISE DA SALINIDADE

Grade de qualidade da água inicial – medições de qualidade da água

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V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Significância?

•Os tempos de descarga e de residência são usados para obter entendimento da velocidade média de renovação e retenção de material.

•Particularmente eles são úteis em intercomparações entre estuários

•O tempo de residência pode ser relacionado ao crescimento de algas – muito útel para qualidade da água

•É preciso experiência para avaliar os valores estimados

e.g. Um tempo de descarga de 10 dias é curto ou longo?

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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ESTUÁRIO

B L VM106 VH106 H P106 R Tf

[m] [m] [m3] [m3] [m] [m3] [m3/s] [d]

Dublin 9808 13178 503 601 6.6 0.326 7 1

Kinsale 550 5000 18 22 6.7 0.332 16 3

Wexford 5520 26820 60 75 1.9 0.417 27 10

Casheen 1690 3445 48 60 6.7 0.38 0 15

Cork 4320 25020 283 358 5.3 0.416 7 22

Killary 975 14600 124 138 11.5 0.198 6 60

Shannon 3024 87507 8701 9456 17.1 0.16 172 116

Galway 13090 29810 3310 3698 13.2 0.21 82 521

Dingle 9250 47500 16630 17230 33.7 0.07 20 871

Intercomparações:

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Metodologias existentes

Método do Prisma de Maré Método do Prisma

de Maré Modificado

Modelos de Caixa Modelo de Prisma de

Maré de Pritchard

Modelos de caixa de escritório

Modelos de Prisma de Maré de Robinson Método do

balanço de Sal

Método da fração de água doce Teorema do hidrograma

de Knudsen

‘Mixed’ and ‘New’ Water Concept Modelo do fator de

escoamento

Circulação de sumidouro/jato Estudos de decaimento de

corante conservativo

Teoria do tamanho de mistura Modelos de escala

física

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Diferentes tipos e definições

a) Tempo de descarga:Tempo para substituir o volume de água doce (Vf) dentro de um estuário a uma taxa de escoamento através do estuário (R)

Tf = Vf/R

• Requer muito esforço de medição para calcular Vf

• Método do prisma de Maré – fácil de calcular*:

Tf = TxV/(Vt + Vr)*Prever o limite mais baixo de Tf

Onde:

T = período de um ciclo de maré

V = vol. do estuário

Vt = vol. da maré de enchente

Vr = vol. do rio

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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b) Tempo de residência:O tempo médio de uma dada particula em um estuário

• Similar ao conceito de “tempo de reversão”:

O tempo requerido para remover 63% da água em um estuário

• Mais difícil de calcular do que o tempo de descarga

• Requer métodos mais complexos (e.g. modelos) para calcular esse tempo com precisão

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Eficiência de descarga:

• Coeficiente de troca por ciclo de maré (E):

Fração da água que é removida e substituida durante cada ciclo de maré

Similar ao Razão de troca por Maré (R) – visto anteriormente

• Razão de Prisma de Maré (Tidal Prism Ratio):

• Eficiência de descarga:

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

Onde:

VH = vol. do estuário na maré alta

VL = vol. do estuário na maré baixa

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Considere a Baía de Dublin – bem descarregada:

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Correntes – Maré vazante

Correntes - Maré enchente

Descarregando em ambos estágios da maré

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Correntes residuais:

Rede de correntes após um ciclo de maré

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Curvas de decaimento Baía de Dublin

• Inicialmente completamente misturada com o corante

• Maré, rio, vento mistura e transporta o corante

• O corante é descarregado para fora ao longo do tempo

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Curvas de decaimento Porto de Killary

• Forma similar a Baía de Dublin

• Contudo curvas não são tão íngremes

• Descarga mais lenta

Cn/Co = 0.1

Baía de Dublin 5-6 ciclos de maré

Porto de Killary 250 ciclos

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Efeito de Amplitude de maréBaía de Dublin

•Tempo de residência deve ser comparado de igual para igual

Exemplo: maré de sizígia com maré de sizígia

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Baía de GalwayCorrentes residuais

• Correntes menores do que a Baía de Dublin

• Particularmente na parte interna

• Pobre descarga

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Baía de GalwayRio Corrib - hidrograma

• Grande variação sazonal

• Fator de 5

• Efeito significativo na parte interna

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Efeito de rios afluentesBaía de Galway

• Variações significantes

• Tempo de residência ‘Sazonal’

• Descarga melhorada no inverno

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Classificação dos Estuários – Segundo a Maré

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Classificação dos Estuários – Segundo mecanismo de descarga

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Classificação dos estuários – Segundo o Tempo de residência

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

Classificação dos estuários – Segundo a Eficiência de Descarga

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697.510142.810142.810628.11

936.6 221240

3 LHLBTPRr

Calculo do tempo de residência:

Fórmula baseada em simples características físicas dos estuários:

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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Nutrientes & Descarga:

• Algas requerem tempo para assimilar

nutrientes

• Receita de bolo:

Tr < 3days (sem floração de algas)

•Possível relacionar cargas críticas de N/P ao Tr

V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA