Tipos de modelos que se aplicam ao estudo da qualidade da água

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

Existem diferentes modelos de qualidade da água, dependendo da fonte de contaminação e do corpo de água que você deseja avaliar. Esses modelos consistem em programas de computador baseados em algoritmos matemáticos.

Tipos de modelos que se aplicam ao estudo da qualidade da água 1

Avaliação da qualidade da água. Fonte: CSIRO [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

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 nas probabilidades.

O parâmetro mais informativo para avaliar a contaminação de um corpo de 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 para obter permissões para executar atividades potencialmente poluidoras. Nesse sentido, os modelos são uma ferramenta útil para entender o possível impacto na qualidade da água de uma determinada atividade.

Fundação matemática

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

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

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 são estimados.

O DBO é um dos indicadores de poluição mais importantes, pois valores altos indicam um 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 massa de água, lêntica (lagos, lagoas, pântanos) ou lótica (rios, córregos). O fluxo, a área coberta, o volume de água, a temperatura e o 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 descargas no corpo de água, são considerados o tipo de descarga, os contaminantes que ele 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 levados em consideração para classificar esses modelos são a dinâmica e a dimensionalidade.

Dinâmico

Modelos estacionários consideram que é suficiente estabelecer a distribuição de probabilidade do estado contaminante em um dado momento ou espaço. Posteriormente, extrapola essa distribuição de probabilidade, considerando-a igual em todo o tempo e espaço desse corpo de água.

Em modelos dinâmicos, supõe-se que as probabilidades de comportamento de poluentes possam mudar ao longo do tempo e do espaço. Modelos quase-dinâmicos executam as análises em partes e geram uma abordagem parcial da dinâmica do sistema.

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

Dimensionalidade

Dependendo das dimensões espaciais consideradas pelo modelo, existem as dimensões adimensional, unidimensional (1D), bidimensional (2D) e tridimensional (3D).

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

Exemplos

O tipo de modelo a ser usado depende do corpo de água a ser estudado e do objetivo do estudo e deve ser calibrado para cada condição específica. 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 abaixo:

Modelo QUAL2K e QUAL2Kw (Modelo de Qualidade da Água)

Simule todas as variáveis ​​de qualidade da água sob um fluxo constante simulado. Ele simula dois níveis de DBO para desenvolver cenários de capacidade fluvial ou atual para 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 prediz possíveis problemas de eutrofização.

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

Modelo STREETER-PHELPS

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

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

MIKE11 Model

Simula vários processos, como degradação da matéria orgânica, fotossíntese e respiração de plantas aquáticas, nitrificação e troca de oxigênio. É caracterizada pela simulação dos 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 planejar medidas de remediação e inclui parâmetros como oxigênio dissolvido, DBO, coliformes e análise de substâncias tóxicas.

Modelo QUASAR (Simulação da Qualidade ao Longo dos Sistemas Fluviais)

O rio é modelado separado em seções, definidas por afluentes, aterros e pontos públicos que chegam ou partem dele.

Considera, entre outros parâmetros, o fluxo, temperatura, pH, DBO e concentração de nitratos de amônia, Escherichia coli e oxigênio dissolvido.

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

Você pode abordar o estudo do corpo de água em diferentes dimensões (1D, 2D ou 3D). Ao usá-lo, o usuário pode optar por inserir processos de transporte cinético constante ou variável ao longo do tempo.

A descarga de resíduos pontuais e não pontuais pode ser incluída e suas aplicações incluem várias estruturas de modelagem física, química e biológica. Aqui você pode incluir diferentes aspectos, como eutrofização e substâncias tóxicas.

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

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  4. Matovelle C (2017) Modelo matemático da qualidade da água aplicado na microbacia do rio Tabacay. Revista Técnica Killkana 1: 39-48.
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  6. 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.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Modelos matemáticos da qualidade da água em lagos e reservatórios. Tese Faculdade de Engenharia. Universidade Nacional Autônoma do México. Cidade do México 95 p.

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