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

2 2 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

3 3 CONTEÚDO: IConceitos e definições IIDiluição IIIBalanço de Massa IVAnálise de salinidade VTempo de residência SIMPLES ESTIMATIVAS DE QUALIDADE DA ÁGUA

4 4 ICONCEITOS 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 5 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 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 ICONCEITOS E DEFINIÇÕES

6 6 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 ICONCEITOS E DEFINIÇÕES

7 7 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 ICONCEITOS E DEFINIÇÕES

8 8 IIDILUIÇÃO

9 9 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 IIDILUIÇÃO

10 10 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 IIDILUIÇÃO

11 11 IIIBALANÇO DE MASSA

12 12 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 IIIBALANÇO DE MASSA

13 13 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_qu e sai IIIBALANÇO DE MASSA

14 14 Aplicação do balanço de massa (estado permanente) Ponto A: Rio Qr = 10m 3 /s Cr = 3mg/l DBO Efluente Qd = 0.5m 3 /s Cd = 300mg/l DBO Encontre a concentração de DBO no rio em B: Q B x C B = Q r x C r + Q A x C A or C B = Q r x C r + Q A x C A Q B = 17.1mg/l A B Q = taxa de escoamento C = concentração de DBO Condição de regime permanent e IIIBALANÇO DE MASSA

15 15 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 IIIBALANÇO DE MASSA

16 16 Modelos de dimensão zero Assume que toda a massa é uniformemente misturada em todo o volume Reator de mistura completa Simples exemplo Volume (V)= 283x10 6 m 3 Entrada de Mg (M) mensal= 100kg Concentração média = M/V = 0.35 g/l IIIBALANÇO DE MASSA

17 17 IVANÁLISE DA SALINIDADE

18 18 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 IVANÁLISE DA SALINIDADE

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

20 20 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 IVANÁLISE DA SALINIDADE

21 21 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 IVANÁLISE DA SALINIDADE

22 22 Exemplo: Diluição de efluente (Parte A) Uma industria lança 0,5m 3 /s de um efluente contendo 5mg/l de uma sustância química tóxica. A vazão mínima do tributário (rio afluente) é de 10m 3 /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) = 24,75m 3 /s ii)Estime a concentração média C = W/Qd = 5 x 0,5 / 24,75 = 0,1mg/l IVANÁLISE DA SALINIDADE

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

24 24 Concentrações a montante e a jusante do lançamento (Material conservativo) Jusante: Poluente diluído similar à água doce MAR Ponto de lançamento - d X SALINIDADESALINIDADE 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 IVANÁLISE DA SALINIDADE

25 25 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 jusanteC = 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 IVANÁLISE DA SALINIDADE

26 26 Grade de qualidade da água inicial – medições de qualidade da água Ortofosfato Salinidade IVANÁLISE DA SALINIDADE

27 27 Cork Harbour: BOD (mg/l) = (SAL) TN(mg/l N) = (SAL) TAN(mg/l N) = (SAL) TON(mg/l N) = (SAL) DO(mg/l) = (SAL) (SAL) 2 TP (mg/l P) = (SAL) SRP (mg/l P) = (SAL) CHL (mg/m 3 )=2.311*SAL IVANÁLISE DA SALINIDADE Grade de qualidade da água inicial – medições de qualidade da água

28 28 VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

29 29 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? VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

30 30 ESTUÁRIO BL V M 10 6 V H 10 6 H P 10 6 RTf [m] [m 3 ] [m][m 3 ][m 3 /s][d] Dublin Kinsale Wexford Casheen Cork Killary Shannon Galway Dingle Intercomparações: VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

31 31 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 VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

32 32 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 VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

33 33 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 VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

34 34 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: VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Onde: V H = vol. do estuário na maré alta V L = vol. do estuário na maré baixa

35 35 Considere a Baía de Dublin – bem descarregada: VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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

37 37 Correntes residuais: Rede de correntes após um ciclo de maré VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

38 38 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 VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

39 39 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 VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

40 40 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 VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

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

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

43 43 Efeito de rios afluentes Baía de Galway Variações significantes Tempo de residência Sazonal Descarga melhorada no inverno VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

44 44 Classificação dos Estuários – Segundo a Maré VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

45 45 Classificação dos Estuários – Segundo mecanismo de descarga VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

46 46 Classificação dos estuários – Segundo o Tempo de residência VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA

47 47 VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA Classificação dos estuários – Segundo a Eficiência de Descarga

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

49 49 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 VTEMPO DE DESCARGA E RESIDÊNCIA


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