Tipos de modelos aplicados ao estudo da qualidade da água - Ciência - 2023

Contente

Modelos de qualidade da água são formulações matemáticas que simulam o comportamento e os efeitos dos poluentes na água. Nesse sentido, são apresentados possíveis cenários de impacto de poluentes, a partir de várias fórmulas que partem de determinados parâmetros e variáveis.

Existem diferentes modelos de qualidade da água em função da fonte de contaminação e do corpo d'água a ser avaliado. Esses modelos consistem em programas de computador baseados em algoritmos matemáticos.

Os modelos integram dados de campo de várias variáveis e fatores, além de certas condições de entrada. A partir desses dados, os modelos geram os cenários possíveis, extrapolando dados no tempo e no espaço com base em probabilidades.

O parâmetro mais informativo para avaliar a contaminação de um corpo d'água é a demanda bioquímica de oxigênio (DBO). A maioria dos modelos inclui a estimativa da variação do DBO como critério para gerar seus cenários.

Os governos estabeleceram regulamentos de qualidade da água que devem ser cumpridos a fim de obter licenças para atividades potencialmente poluentes. Nesse sentido, os modelos são uma ferramenta útil para entender o possível impacto de uma determinada atividade na qualidade da água.

Base matemática

Os modelos usados para prever o comportamento da qualidade da água são baseados em equações diferenciais. Essas equações relacionam a quantidade de mudança em uma função à magnitude da mudança em outra.

Equações diferenciais não lineares são usadas em modelos de qualidade da água, porque os processos de poluição da água são complexos (eles não respondem a uma relação linear de causa-efeito).

Parâmetros

Ao aplicar um determinado modelo é necessário levar em consideração uma série de parâmetros.

Em geral, parâmetros básicos como Demanda Biológica de Oxigênio (DBO), Demanda Química de Oxigênio (DQO), nitrogênio e fósforo presentes são estimados.

O DBO é um dos indicadores de contaminação mais importantes, pois valores altos indicam grande número de microrganismos. Por sua vez, o COD indica a quantidade de oxigênio necessária para oxidar a matéria orgânica por meios químicos.

Os parâmetros a serem avaliados dependem do tipo de corpo d'água, seja lêntico (lagos, lagoas, pântanos) ou lótico (rios, riachos). A vazão, área coberta, volume de água, temperatura e clima também devem ser levados em consideração.

Também é necessário considerar a fonte de contaminação a ser avaliada, pois cada contaminante tem um comportamento e efeito diferentes.

No caso de lançamentos para o corpo d'água, são considerados o tipo de lançamento, os poluentes que contém e seu volume.

Classificação

Existem inúmeros modelos matemáticos para simular o comportamento de poluentes em corpos d'água. Eles podem ser classificados dependendo do tipo de processo que consideram (físico, químico, biológico) ou do tipo de método de solução (empírico, aproximado, simplificado).

Os fatores que são levados em consideração para classificar esses modelos são a dinâmica e a dimensionalidade.

Dinâmico

Os modelos estacionários consideram que basta estabelecer a distribuição de probabilidade do estado do poluente em um dado instante ou espaço. Posteriormente, ele extrapola essa distribuição de probabilidade considerando-a a mesma em todo o tempo e espaço daquele corpo d'água.

Em modelos dinâmicos, assume-se que as probabilidades de comportamento dos poluentes podem mudar no tempo e no espaço. Modelos quase dinâmicos realizam análises em partes e geram uma aproximação parcial da dinâmica do sistema.

Existem programas que podem funcionar em modelos dinâmicos e quase dinâmicos.

Dimensionalidade

Dependendo das dimensões espaciais que o modelo considera, existem adimensionais, unidimensionais (1D), bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D).

Um modelo adimensional considera o meio como homogêneo em todas as direções. Um modelo 1D pode descrever a variação espacial ao longo de um rio, mas não em sua seção vertical ou transversal. Um modelo 2D irá considerar duas dessas dimensões, enquanto um modelo 3D irá incluir todas elas.

Exemplos

O tipo de modelo a ser utilizado depende do corpo d'água a ser estudado e do objetivo do estudo, devendo ser calibrado para cada condição particular. Além disso, a disponibilidade de informações e os processos a serem modelados devem ser levados em consideração.

Alguns exemplos de modelos para estudos de qualidade da água em rios, córregos e lagos são descritos a seguir:

QUAL2K e QUAL2Kw (Modelo de Qualidade da Água)

Simula todas as variáveis de qualidade da água sob um fluxo constante simulado. Simula dois níveis de BOD para desenvolver cenários da capacidade do rio ou riacho de degradar poluentes orgânicos.

Este modelo também permite simular a quantidade resultante de carbono, fósforo, nitrogênio, sólidos inorgânicos, fitoplâncton e detritos. Da mesma forma, simula a quantidade de oxigênio dissolvido, o que prevê possíveis problemas de eutrofização.

Outras variáveis, como pH ou capacidade de eliminar patógenos, também são projetadas indiretamente.

Modelo STREETER-PHELPS

É um modelo muito útil para avaliar o comportamento da concentração de um determinado poluente na área de influência de uma descarga em um rio.

Um dos poluentes que produz o efeito mais significativo é a matéria orgânica, então a variável mais informativa neste modelo é a demanda de oxigênio dissolvido. Portanto, inclui uma formulação matemática dos principais processos associados ao oxigênio dissolvido em um rio.

Modelo MIKE11

Simula vários processos como a degradação da matéria orgânica, fotossíntese e respiração de plantas aquáticas, nitrificação e troca de oxigênio. É caracterizada por simular os processos de transformação e dispersão de poluentes.

Modelo RIOS

Este modelo foi desenhado no contexto da gestão de bacias hidrográficas e combina dados biofísicos, sociais e econômicos.

Ele gera informações úteis para o planejamento de medidas de remediação e inclui parâmetros como oxigênio dissolvido, DBO, coliformes e análises de substâncias tóxicas.

Modelo QUASAR (Simulação de Qualidade ao Longo de Sistemas Fluviais)

O rio é modelado dividido em seções, definidas pelos afluentes, vertedouros e tomadas públicas que chegam ou partem dele.

Considera entre outros parâmetros a vazão, temperatura, pH, DBO e concentração de nitratos de amônia, Escherichia colie oxigênio dissolvido.

WASP (Programa de Simulação de Análise de Qualidade de Água)

Você pode abordar o estudo do corpo d'água em diferentes dimensões (1D, 2D ou 3D). Ao usá-lo, o usuário pode optar por inserir processos de transporte cinético constantes ou variáveis no tempo.

Descargas de resíduos pontuais e não pontuais podem ser incluídas e suas aplicações incluem várias estruturas de modelagem física, química e biológica. Aqui, diferentes aspectos, como eutrofização e substâncias tóxicas, podem ser incluídos.

Modelo AQUASIM

Este modelo é usado para estudar a qualidade da água em rios e lagos. Funciona como um fluxograma, permitindo simular um grande número de parâmetros.

Referências

Castro-Huertas MA (2015) Aplicação da QUAL2KW na modelagem da qualidade da água do rio Guacaica, departamento de Caldas, Colômbia. Trabalho de Grado. Faculdade de Engenharia e Arquitetura, Departamento de Engenharia Química, Universidade Nacional da Colômbia. Colômbia. 100 p.
Di Toro DM, JJ Fitzpatrick e RV Thomann (1981) Programa de Simulação de Análise de Qualidade de Água (WASP) e Programa de Verificação de Modelo (MVP) - Documentação. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, para os EUA EPA, Duluth, MN, Contrato No. 68-01-3872.
López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García e FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Tratamento biológico de águas residuais. Princípios, modelagem e design. Publicação IWA. 580 p.
Matovelle C (2017) Modelo matemático de qualidade da água aplicado na microbacia do rio Tabacay. Revista Técnica Killkana 1: 39-48.
Ordoñez-Moncada J e M Palacios-Quevedo (2017) Modelo de qualidade da água. Concessionária Vial Unión del Sur. SH Consortium. Via dupla. Rumichaca-Pasto. Departamento de Nariño. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental S.A.S. 45 pág.
Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Manual do Usuário, programa de computador para identificação e simulação de sistemas aquáticos, Instituto Federal Suíço de Ciência e Tecnologia Ambiental (EAWAG), Suíça.
Rendón-Velázquez CM (2013) Modelos matemáticos de qualidade da água em lagos e reservatórios. Tese. Faculdade de Engenharia. Universidade Nacional Autônoma do México. México DF. 95 p.