Sistemas Estuarinos Costeiros

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

2. SIMPLES ESTIMATIVAS DE QUALIDADE DA ÁGUA 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.

3. 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

4. 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?

5. I CONCEITOS E DEFINIÇÕES 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 = 1000mL Volume de efluente = 50ml S = 1000/50 = 20 i.e. realizou 20 diluições

6. I CONCEITOS E DEFINIÇÕES • 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

7. I CONCEITOS E DEFINIÇÕES 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

8. II DILUIÇÃO

9. II DILUIÇÃO • 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

10. II DILUIÇÃO • 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

11. III BALANÇO DE MASSA

12. III BALANÇO DE MASSA • 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

13. III BALANÇO DE MASSA Massa entrando em um sistema = Mudança de massa no sistema + massa saindo Massa que entra – massa que sai = mudança da massa no sistema M que entra M_que sai Trecho de rio

14. A B III BALANÇO DE MASSA • 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 Condição de regime permanente Q = taxa de escoamento C = concentração de DBO

15. III BALANÇO DE MASSA • 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

16. III BALANÇO DE MASSA • 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 • = 0.35mg/l

17. IV ANÁLISE DA SALINIDADE

18. IV ANÁLISE DA SALINIDADE • 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

19. IV ANÁLISE DA SALINIDADE 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 Vf Sf Vr Se R = (Sf – Se)/(So-Se) OR R = [Se/(So-Se)]/(Vr/Vf)

20. IV ANÁLISE DA SALINIDADE 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

21. IV ANÁLISE DA SALINIDADE 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

22. IV ANÁLISE DA SALINIDADE • 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: • Estime o volume de diluição do efluente Qd = (Qe+Qf)So/(So-S) • = (0,5 + 10) x 33 / (33 – 19) • = 24,75m3/s • Estime a concentração média C = W/Qd • = 5 x 0,5 / 24,75 • = 0,1mg/l

23. IV ANÁLISE DA SALINIDADE Concentrações a montante e a jusante do lançamento (Material conservativo) Montante: Poluente diluído similar a diluição da salinidade MAR So SALINIDADE Concentração a montante em X: Cx = Cd(Sx/Sd) Sd Sx ‰ Ponto de lançamento - d X

24. IV ANÁLISE DA SALINIDADE Concentrações a montante e a jusante do lançamento (Material conservativo) Jusante: Poluente diluído similar à água doce Índice de água doce = (So – Sx)/So 0 -> 1 MAR So SALINIDADE Índice de água doce (So – Sx) (So – Sd) ‰ Concentração a jusante em X: Cx = Cd(So-Sx)/(So-Sd) Ponto de lançamento - d X

25. IV ANÁLISE DA SALINIDADE • 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: • Concentração a jusante C = 0,1 x (33-24)/(33-19) • = 0,064mg/l • Concentração a montante C = 0,1 x 5 / 19 • = 0,026mg/l MAR 0.1 mg/l

26. IV ANÁLISE DA SALINIDADE Grade de qualidade da água inicial – medições de qualidade da água Ortofosfato Salinidade

27. IV ANÁLISE DA SALINIDADE Grade de qualidade da água inicial – medições de qualidade da água 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

28. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

29. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA • 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?

30. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Intercomparações:

31. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA 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

32. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA • 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

33. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA • 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

34. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA • 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): Onde: VH = vol. do estuário na maré alta VL = vol. do estuário na maré baixa • Eficiência de descarga:

35. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Considere a Baía de Dublin – bem descarregada:

36. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Correntes – Maré vazante Correntes - Maré enchente Descarregando em ambos estágios da maré

37. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Correntes residuais: Rede de correntes após um ciclo de maré

38. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA 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

39. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA 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

40. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Efeito de Amplitude de maré Baía de Dublin • Tempo de residência deve ser comparado de igual para igual • Exemplo: maré de sizígia com maré de sizígia

41. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Baía de Galway Correntes residuais • Correntes menores do que a Baía de Dublin • Particularmente na parte interna • Pobre descarga

42. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Baía de Galway Rio Corrib - hidrograma • Grande variação sazonal • Fator de 5 • Efeito significativo na parte interna

43. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Efeito de rios afluentes Baía de Galway • Variações significantes • Tempo de residência ‘Sazonal’ • Descarga melhorada no inverno

44. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Classificação dos Estuários – Segundo a Maré

45. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Classificação dos Estuários – Segundo mecanismo de descarga

46. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Classificação dos estuários – Segundo o Tempo de residência

47. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Classificação dos estuários – Segundo a Eficiência de Descarga

48. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Calculo do tempo de residência: Fórmula baseada em simples características físicas dos estuários:

49. V TEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA • 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