Processos de Transporte em Estuários – Parte 2

1. Processos de Transporte em Estuários – Parte 2 Carlos Ruberto Fragoso Júnior

2. Sumário • Revisão • Parâmetros da qualidade da água

3. Transporte x Qualidade de água • Tradicionalmente se ocupava basicamente da quantidade da água e não da sua qualidade. • Esta ótica está bem presente em grande parte dos livros de hidrologia aplicada. • Entretanto, cada vez mais é importante incluir um conhecimento mínimo de qualidade de água

4. Poluentes • Entende-se por poluição da água a alteração de suas características por quaisquer ações ou interferências sejam elas ou não provocadas pelo homem (Braga et al., 2005). • A origem da palavra poluição está relacionada à condição estética da água, que parece suja quando a poluição pode ser percebida a olho nu.

5. Poluentes • Entretanto, a alteração da qualidade da água não se manifesta apenas em características estéticas. • A água aparentemente limpa pode conter micro-organismos patogênicos e substâncias tóxicas.

6. Fontes de poluentes • Pontuais • introduzidas por lançamentos facilmente identificáveis e individualizados, como os despejos de esgoto de uma indústria • Difusas • lançados de forma distribuída e não é fácil identificar como são produzidos, como no caso das substâncias provenientes de áreas agrícolas, ou dos poluentes associados à drenagem pluvial urbana

7. Concentração • Concentração: • Aspectos fundamentais da qualidade da água são, normalmente, apresentados em termos de concentração de substâncias na água. A concentração é expressa como a massa da substância por volume de água, em mg.l-1, ou g.m-3. • Por exemplo, ao acrescentar e dissolver 12 mg de sal em um litro de água pura, obtém-se água com uma concentração de 12 mg.l-1 de sal.

8. Concentração • Concentração é a relação entre a massa de uma substância e o volume de água em que ela está diluída ou dissolvida: g/s ou Kg/s

9. Mistura • De forma semelhante, quando são misturados volumes de água com concentrações diferentes, a concentração final equivale a uma média ponderada das concentrações originais, o mesmo ocorrendo no caso de vazões. Assim, se um rio com vazão QR e concentração CR recebe a entrada de um afluente com vazão QA e com concentração CA. Admitindo uma rápida e completa mistura das águas, a concentração final é dada por: QA CA QR CR QF CF

10. Carga de poluentes • A carga ou fluxo de um poluente ou substância é dada pelo produto entre a vazão e a concentração. No exemplo anterior, o fluxo de Nitrogênio Total no rio, a jusante da entrada de esgoto é dado por:

11. Transporte de substâncias na água • Num rio, lago, reservatório ou estuário o transporte de uma substância está sujeito a processos físicos, químicos e biológicos. • Transporte ocorre pelos processos de: • advecção • difusão • dispersão • Além disso podem ocorrer transformações como: • sedimentação (substância deposita no fundo) • transformação química • perdas ou ganhos no contato com o meio externo (ar)

12. Transporte • Advecção : Transporte com a velocidade média da água. • Difusão : Transporte que ocorreria mesmo que a água estivesse parada. Substância se espalha de regiões de mais alta concentração para regiões de mais baixa concentração. • Dispersão : Espécie de difusão que ocorre porque a velocidade da água não é sempre igual à média.

13. Advecção

14. Advecção

15. Advecção Substância não se espalha, apenas percorre uma distância na mesma velocidade (média) da água

16. Difusão

17. Difusão

18. Difusão Substância se espalha pelo movimento aleatório das moléculas mesmo que a velocidade média seja zero.

19. 1a Lei de Fick - Difusão • D é um coeficiente de difusão (unidades de m2/s) • J é o fluxo de massa de C • massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

20. Dispersão

21. Dispersão

22. Dispersão Substância percorre uma distância com a velocidade média da água e além disso se espalha, porque a velocidade da água não é sempre igual à média

23. Dispersão Velocidades diferentes e turbulência criam um efeito semelhante ao da difusão Em rios o efeito da dispersão é mais importante do que o da difusão, embora os dois ocorram juntos e contribuam para o espalhamento.

24. 1a Lei de Fick - Dispersão • E é um coeficiente de dispersão (unidades de m2/s) • J é o fluxo de massa de C • massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

25. Coeficiente de dispersão longitudinal em rios Chapra (1997) cap. 14 E: coeficiente de dispersão longitudinal (m2/s) B: largura do rio (m) h: profundidade (m) u: velocidade da água (m/s)

26. Parâmetros de qualidade da água • A qualidade da água é avaliada de acordo com a concentração de substâncias denominados parâmetros de qualidade de água. As concentrações destes parâmetros são importantes para a caracterização da água frente aos usos a que ela se destina. Por exemplo, para ser bebida a água não pode ter uma concentração excessiva de sais.

27. Parâmetros • Temperatura • Salinidade • Oxigênio dissolvido (OD) • pH • DBO (poluentes orgânicos biodegradáveis) • Concentração de coliformes fecais • Concentração de metais pesados (Pb, Hg) • Concentração de nutrientes para algas (N, P) • Turbidez • Concentração de sólidos • Cor e odor • Concentração de Clorofila a (indicador de algas) • outros

28. Temperatura

29. Temperatura • A temperatura da água afeta as características físicas e químicas da água. • por exemplo: solubilidade dos gases e densidade • A temperatura também afeta o comportamento dos micro-organismos. • por exemplo: velocidade com que os microorganismos degradam a matéria orgânica • O efeito de quase todos os outros poluentes depende da temperatura

30. Temperatura • As principais fontes de efluentes térmicos são as usinas termo-elétricas, sejam elas nucleares ou a carvão.

31. Temperatura • Barragens com reservatórios profundos também podem despejar água com temperatura alterada em relação ao rio original. • Tomada de água no fundo = água fria e sem oxigênio água quente água fria

32. Oxigênio dissolvido

33. Oxigênio Dissolvido (OD) • Oxigênio Dissolvido existe na água em concentrações que variam com a temperatura, salinidade, pressão e com a presença de poluentes • Oxigênio pode penetrar na água por difusão do ar atmosférico, através da superfície de um rio ou lago, ou através da superfície de bolhas (por exemplo num aquário ou numa cachoeira) • O oxigênio também pode ser produzido dentro da água por plantas (fotossíntese)

34. OD - Concentração de saturação • Entrada de oxigênio = reoxigenação • Reoxigenação tem um limite, que é a concentração máxima de OD na água para uma dada temperatura (COD-sat). • COD-sat é maior em água fria • COD-sat é menor em água salgada

35. aumento de salinidade alta COD-sat aumento de temperatura baixa COD-sat

36. Concentração de OD na saturação para água doce: • onde T é a temperatura em graus Kelvin (T=oC+273,15) e os coeficientes são dados a seguir: • a = -139,34411 • b = 1,575701 . 105 • c = -6,642308 . 107 • d = 1,243800 . 1010 • e = -8,642308 . 1011

37. OD • OD tem um papel fundamental na manutenção da vida aquática • valores inferiores a 3 mg/l tendem a ser prejudiciais para a maior parte dos vertebrados aquáticos. • certos peixes necessitam de concentrações de OD superiores a um determinado limite para sobreviver, ou apresentar certos tipos de comportamento • concentrações superiores a 4 mg/l normalmente não apresentam problemas para peixes (depende da espécie)

38. OD • para salmão, por exemplo, • a concentração ideal é de 9 mg/l • é aceitável entre 7-8 mg/l ; • inferior a 3.5 mg/l tende a ser fatal

39. OD • Dourado (Salminus brasiliensis) apresenta melhor crescimento e utilização de alimento quando cultivado em altas concentrações de oxigênio dissolvido, com valores superiores a 5,04 mg/l (Raphael de Leão Serafini – dissertação de mestrado UFSC).

40. Poluentes orgânicos biodegradáveis

41. Poluentes orgânicos biodegradáveis • A matéria orgânica biodegradável lançada na água é degradada por organismos decompositores • se houver Oxigênio Dissolvido na água a decomposição será feita por bactérias aeróbias, que consomem o oxigênio dissolvido • se não houver Oxigênio Dissolvido na água a decomposição será feita por bactérias anaeróbias, que produzem gases como o metano e o gás sulfídrico Mais detalhes sobre matéria orgânica degradável depois

42. Nutrientes

43. Nutrientes • O excesso de nutrientes nos corpos de água pode levar ao crescimento excessivo de alguns organismos aquáticos (eutrofização). • Nutrientes mais importantes: N e P • Fontes: • esgotos domésticos • erosão dos solos agrícolas (especialmente onde ocorre adubação) • decomposição de matéria orgânica

44. Fontes de Nutrientes • A principal fonte natural de P são as próprias rochas (presença de apatita). • Fontes artificiais importantes de P são os adubos utilizados na agricultura, e os detergentes e sabões usados em casa • Fontes de N são agricultura, esgotos domésticos e atmosfera

45. Eutrofização • Eutrofização é como se chama o processo de aumento de nutrientes na água levando a um excesso de produção de algas. • Eutrofização pode ocorrer naturalmente • Eutrofização se torna mais comum pela poluição com N e P.

46. Eutrofização • Eutrofização leva ao crescimento de algas; que acabam se decompondo e consumindo oxigênio • Outro problema é o surgimento de algas que produzem toxinas, como as ciano-bactérias (algas azuis)

47. Turbidez

48. Turbidez • Turbidez indica qualidade da água: água mais clara normalmente tem melhor qualidade • Medida no campo usando o disco de Secchi • No laboratório é medida através da transmissão da luz através do líquido • colóides desviam e dispersam luz • partículas coloidais podem estar relacionadas a organismos patógenos, substâncias tóxicas (metais e pesticidas).

49. Partículas Sólidas: partículas em suspensão oriundas de erosão de solos, efluentes industriais, esgoto urbano, atividades de mineração, etc. Causam turbidez ou cor inibindo a fotossíntese através do impedimento da entrada da luz, deposição de partículas na superfície das folhas e caules das plantas aquáticas. Os organismos de fundo podem ser enterrados devido a deposição de partículas ou sofrerem adsorção na superfície.

50. Medição de turbidez com disco de Secchi