Manual do Usuário do SisBaHiA^®

Modelo de Qualidade de Água:

O Modelo Euleriano de Transporte Advectivo-Difusivo (METAD) integrado na vertical (2DH), para escalares passivos e não-conservativos. Escalares não-conservativos, que representam a maioria das substâncias existentes na água, sofrem modificação de concentração através de processos físicos, biológicos e químicos. Os processos de transporte, advectivo e difusivo, são resolvidos de forma idêntica ao METAD. Os processos biológicos e químicos, chamados de reações cinéticas, são definidos para cada substância, sendo, portanto, o diferencial deste modelo. O entendimento e a formulação destes processos são fundamentais para a construção do modelo de qualidade de água.

O modelo de qualidade de água (MQA) considera o ciclo do oxigênio, do nitrogênio e do fósforo. Como as reações cinéticas modeladas variam fortemente com a temperatura e salinidade (Sellers, 1965), o modelo foi construído considerando os seguintes 11 escalares listados:

§ Amônia;

§ Nitrato;

§ Nitrogênio Orgânico;

§ Zooplâncton;

§ Demanda Bioquímica de Oxigênio – DBO;

§ Oxigênio Dissolvido – OD;

§ Fósforo Inorgânico;

§ Fósforo Orgânico;

§ Clorofila;

§ Temperatura;

§ Salinidade.

O usuário do MQA deve utilizar a Clorofila_A como substância de entrada que, por isso, deve ser especificada como condição inicial. Internamente, a partir do fator de conversão (α₀), a Clorofila_A é convertida em Biomassa de fitoplâncton, que passa a ser calculada pelo modelo.

OD-DBO:

Os processos cinéticos de transformações incluem no ciclo do oxigênio as incógnitas: Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), e o Oxigênio Dissolvido (OD). Os processos cinéticos envolvidos são, (Muhammetoglu & Soyupak, 2000):

§ Para a DBO estão incluídos: decaimento, oxidação, desnitrificação e deposição.

§ Para o OD estão incluídos: reaeração, crescimento, respiração, nitrificação, oxidação e demanda de oxigênio devido ao sedimento.

Fósforo:

No ciclo do fósforo tem-se, como incógnitas, Fósforo Orgânico e Fósforo Inorgânico. Os processos cinéticos envolvidos são:

§ Para o Fósforo Orgânico: decaimento, mineralização e deposição.

§ Para o Fósforo Inorgânico: decaimento, mineralização e crescimento.

Nitrogênio:

No ciclo do nitrogênio tem-se, como incógnitas, Nitrogênio Orgânico, Nitrato, Biomassa de Fitoplâncton e Amônia. Os processos cinéticos envolvidos são:

§ Para o Nitrogênio Orgânico: decaimento, mineralização e deposição.

§ Para o Nitrato: nitrificação, crescimento e desnitrificação.

§ Para a Biomassa de Fitoplâncton: crescimento, decaimento e sedimentação.

§ Para a Amônia: Mineralização, decaimento, crescimento e nitrificação.

A Figura abaixo mostra os ciclos e suas interações, considerando as substâncias envolvidas na modelagem e os processos cinéticos. Pode-se observar que as substâncias são interligadas, criando assim um sistema que precisa ser resolvido de forma acoplada.

Figura 1 – Esquema apresentando os ciclos e suas interações do modelo de qualidade de água.

Em sua maior parte, estes processos são modelados usando reações de primeira ordem, com coeficientes calculados de forma experimental em laboratórios ou através de experimentos de campo, adquirindo valores dentro de uma faixa específica. Com isso, são grandes as incertezas sobre estes processos de transformações. A calibração do modelo de qualidade de água passa obrigatoriamente pela correta definição destes coeficientes.

O padrão hidrodinâmico usado pelo modelo de qualidade de água é obtido através do modelo hidrodinâmico. Não é possível simular padrões de qualidade de água para um determinado domínio se não for definido, para o cenário estudado, o padrão hidrodinâmico. Pode-se ainda simular o MQA utilizando o ciclo, ou seja, poderá simular continuamente um período extraído da simulação hidrodinâmica, prolongando assim, o período de simulação para além do disponível na base hidrodinâmica.

O modelo permite dois tipos de fontes externas: permanente e não permanente. Se a fonte for permanente, é necessário especificar, para cada fonte o fator de diluição e a intensidade da fonte. Se a fonte for não permanente, é necessário fornecer o intervalo de tempo em que os dados serão fornecidos. Os valores de intensidade devem ser suficientes para cobrir todo o intervalo de simulação. O fator de diluição é suposto constante e representa os efeitos de campo próximo, no qual ocorre mistura ativa na vizinhança da fonte.

O modelo utiliza unidade do sistema internacional. Quanto aos parâmetros das reações cinéticas, as unidades estão específicas no capítulo que destaca estas reações. As substâncias possuem as seguintes unidades:

Amônia:	mg N/l
Nitrato:	mg N/l
Nitrogênio Orgânico:	mg P/l
Biomassa de Fitoplâncton:	mg C/l
DBO:	mg O₂/l
OD:	mg O₂/l
Fósforo Inorgânico:	mg P/l
Fósforo Orgânico:	mg P/l
Clorofila_A:	μg /l
Temperatura:	°C
Salinidade:	mg/l

Sal:

Figura 2 – Abrindo o Modelo de Sal.

Após selecionar a malha que deseja usar nesse modelo, basta colocar o título no modelo e clicar em aceitar. Logo abrirá as outras pastas, como : .

Na pasta ‘Parâmetros’ há três subpastas: .

O usuário deverá selecionar o modelo hidrodinâmico que deseja usar para esse caso de salinidade, preencher o instante inicial e final da simulação de sal. Caso desejar usar ciclo, basta o usuário selecionar o ciclo e informar o instante inicial e final do ciclo. O usuário deverá informar que tipo de escoamento pretende usar para essa simulação: 2DH ou 3D.

Por fim, o usuário deve informar o nome do subdiretório de resultados para a simulação. Este subdiretório é criado automaticamente pelo SisBaHiA^® na pasta ‘Resultados’.

Na subpasta ‘Hidrodinâmicos’:

Esta subpasta só é válida para os outros modelos de qualidade de água. Já para a modelagem de sal (que é o exemplo que esta sendo mostrado aqui), ela não é válida.

Na subpasta ‘Reações Cinéticas’:

(atualizar esta subpasta)

Na pasta ‘Fronteiras’:

Na subpasta ‘Salinidade’ “Terrestres” o usuário deve informar qual o ‘Modo de Fluxo’: Permanente em todos os nós ou Alguns nós com fluxo variável. Para cada nó de fronteira deve-se definir o tipo de condição de contorno e o valor a ser prescrito. Na coluna de Tipo de condição, há duas possibilidades:

Tipo 0 è Quando o Fluxo normal à fronteira é prescrito.

Tipo 1 è Quando a Concentração no nó é prescrita.

Os valores prescritos são os listados na coluna ‘Fluxo ou Valor’.

O formato deste arquivo é o seguinte. Primeira Linha: Número de nós com vazão variável (NN2V); A lista com o número de cada um dos NN2V nós com fluxo normal variável; Seguem-se linhas suficientes para cobrir o tempo total da simulação; Índice informativo; Valor do fluxo normal/velocidade em cada um dos nós listados, na ordem da listagem.

Na subpasta ‘Salinidade’ “Abertas” há uma tabela com a lista dos nós de contorno que fazem parte da fronteira aberta.

A Condição de Contorno em fronteira aberta é a prescrição do valor Limite de Concentração, isto é, o valor que corresponde à concentração na região de águas externas ao domínio do modelo. Por exemplo, se for mar, geralmente tal valor é em torno de 35 ups.

Em um dado nó de fronteira aberta, o Limite de Concentração só será plenamente imposto se estiver ocorrendo afluxo pelo nó durante um tempo pelo menos igual ao período de transição.

Se no dado nó estiver ocorrendo efluxo, a condição de contorno no nó é computada internamente pelo SisBaHiA^®, já que depende das concentrações no domínio do modelo.

O período de transição deve ser prescrito em segundos, e refere-se à transição da situação de efluxo para afluxo. Isto é, representa o intervalo de tempo que decorre para a condição de contorno do nó variar do último valor em situação de efluxo até o valor Limite de Concentração em situação de afluxo. Para maiores detalhes, veja a ‘Referência Técnica do SisBaHiA^®’.

Nas pastas , os procedimentos são iguais aos do ‘Modelo de Transporte Euleriano’. Logo, não há necessidade de explicar novamente.

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Temperatura:

Do ponto de vista da engenharia de meio ambiente, o conhecimento da variação da temperatura no corpo d’água é particularmente importante por três razões: as descargas de efluentes em diferentes temperaturas podem causar efeitos negativos nos ecossistemas aquáticos, a temperatura influencia as reações químicas e biológicas e a variação da temperatura afeta a densidade da água, e como conseqüência, altera os processos de transporte. O modelo de qualidade de água permite o estudo de descargas de efluentes com diferentes temperaturas, além do estudo da influência da temperatura nas reações químicas e biológicas, a partir dos coeficientes de temperatura para cada reação específica.