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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-1570-2382
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Comparação entre ferramentas computacionais de modelagem da qualidade da água em ambiente lótico
Alternate title (s): Comparison of computational tools for water quality modeling in lotic ambient
Author: Riquieri, Juliana Correa
First Advisor: Salla, Marcio Ricardo
First coorientator: Pereira, Carlos Eugenio
First member of the Committee: Soares, Paulo Fernando
Second member of the Committee: Morais, Ismarley Lage Horta
Summary: O aumento da carga poluidora lançada nos cursos de água ao longo de tempo leva à significativas mudanças nos padrões de qualidade da água. Essas mudanças têm impactos tanto na qualidade, quanto na diversidade da biota e nos diversos usos das águas. A modelagem da qualidade da água por meio de ferramentas computacionais tem se mostrado um importante instrumento no planejamento e gestão dos recursos hídricos. O emprego de modelos matemáticos permite que a gestão dos recursos hídricos seja realizada com eficiência, já que possibilita a análise conjunta da qualidade e quantidade de água. De modo geral, percebeu-se um desenvolvimento acelerado dos modelos de qualidade da água, ampliando suas aplicações quanto ao número de dimensões representadas, o número de constituintes modelados, interface com Sistema de Informações Geográficas (SIG) e sua interação com os ecossistemas aquáticos. Assim, a diversidade de modelos varia tanto em função do objetivo da aplicação, quanto da complexidade de sua utilização, representação do meio e dos seus constituintes analisados. Desta forma, neste estudo de mestrado foram comparadas três ferramentas computacionais de modelagem de qualidade da água em ambiente lótico, QUAL-UFMG, QUALI-TOOL e HEC-RAS, apontando as potencialidades e limitações com foco na criação da topologia do sistema hídrico, procedimentos para entrada dos dados (geométricos, hidráulicos, fluviométricos, de qualidade da água e coeficientes dos processos físicos e bioquímicos) e interpretação dos resultados das simulações dos parâmetros oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, nitrogênio orgânico, amônia, nitrato e fósforo total. Para isso, foi utilizado um curso de água de baixa capacidade hídrica (vazão média anual de 4,8 m3s-1) e com um lançamento pontual de alta carga poluidora (528,8 kgDBOd-1, 163,8 kgNOd-1 e 6,2 kgPd-1 no período de estiagem), especificamente o rio Jordão, bacia hidrográfica do rio Dourados, Triângulo Mineiro. As simulações foram realizadas nos períodos de estiagem e chuvoso, cujos dados de entrada foram extraídos de De Paula (2011) e Salla et al. (2013). Comparando as três ferramentas, observou-se que os perfis longitudinais dos parâmetros de qualidade mantiveram a mesma tendência, com exceção ao oxigênio dissolvido na ferramenta QUAL- UFMG para o período de estiagem e chuvoso e série de nitrogênio na ferramenta HEC-RAS para o período chuvoso. Observou-se que os métodos de cálculo da profundidade líquida e velocidade do escoamento interferiram diretamente nos perfis longitudinais de oxigênio dissolvido e série de nitrogênio. Além disso, diante de uma análise operacional das ferramentas, QUAL-UFMG e QUALI-TOOL se mostraram parecidos pelo fato de terem sido desenvolvidos em formatos de planilha de Excel e utilizarem o mesmo equacionamento matemático. Para estudos mais simplificados, em escalas reduzidas, as ferramentas QUAL- UFMG e QUALI-TOOL trazem resultados satisfatórios, além de possuírem interface amigável, gratuita e de fácil acesso ao usuário. A ferramenta HEC-RAS se mostrou a mais complexa devido à maior quantidade de dados de entrada necessários na modelagem da parte hidráulica e de qualidade da água, além de ter uma conexão com SIG. Em contrapartida, a ferramenta HEC-RAS tem a limitação da não variação dos coeficientes das reações bioquímicas do modelo. Também, a necessidade da inclusão de seção transversal para alimentação das cargas poluentes no rio principal limita seu uso em estudos com limitação financeira para os trabalhos de campo.
Abstract: The increased pollutant load released into watercourses over time leads to significant changes in water quality standards. These changes impact the quality, the diversity of the biota and the various uses of the waters. Water quality modeling through computational tools has proved to be an important tool in planning and managing water resources. The use of mathematical models allows the efficient management of water resources, as it allows the joint analysis of the quality and quantity of water. In general, an accelerated development of water quality models was observed, increasing their applications regarding the number of dimensions represented, the number of modeled constituents, interface with GIS and its interaction with aquatic ecosystems. Thus, the models diversity varies both because of the application purpose, and the complexity of their use, representation of the medium and its constituents. This master's thesis compares three computational tools for water quality modeling in a lotic environment: QUAL-UFMG, QUALI-TOOL and HEC- RAS, pointing out potentialities and limitations with a focus on the creation of water topology, data input procedures (geometric, hydraulic, fluviometric, water quality and coefficients of physical and biochemical processes). It also analyses the results in simulations of dissolved oxygen, biochemical demand for oxygen, organic nitrogen, ammonia, nitrate and total phosphorus. It has been used a watercourse with an average annual water capacity of 4.8 m3/s and punctual release of high pollutant load (528.8 kgDBO/day, 163.8 kgNO/day and 6.2 kgP/day during the dry season), specifically Jordão River, the hydrographic basin of Dourados River, Triângulo Mineiro, Brazil. The simulations were carried out in the dry and rainy season, data extracted from De Paula (2011) and Salla et al. (2013). Comparing all three tools, longitudinal profiles of the quality parameters kept the same trend, except for dissolved oxygen in the QUAL-UFMG tool during the dry and rainy season and nitrogen series in the HEC-RAS tool for the rainy season. Also, the methods for calculating the net depth and flow velocity directly interfered in longitudinal profiles of dissolved oxygen and nitrogen series. In addition, upon an operational analysis, QUAL-UFMG and QUALI-TOOL tools were similar because they were developed in Excel spreadsheet formats and used the same mathematical equation. For more simplified studies, on a reduced scale, QUAL-UFMG and QUALI-TOOL tools provide sufficient results, and they also have an user-friendly interface, are of free distribution, and of an easy access to the user. The HEC-RAS tool proved to be more complex due to the greater amount of input data required in hydraulic and water quality modeling. HEC-RAS also has a connection with GIS. In contrast, HEC-RAS has the limitation of non-variation of the coefficients of the biochemical reactions model. Also, the need to include a cross section to feed the pollutant loads in the main river limits its use in studies with financial limitations for fieldwork.
Keywords: Qualidade da água
Modelagem matemática
QUAL-UFMG
QUALI- TOOL
HEC-RAS
Water quality
Mathematical modeling
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Subject: Engenharia Civil
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil
Quote: RIQUIERI, Juliana Corrêa. Comparação entre ferramentas computacionais de modelagem da qualidade da água em ambiente lótico. 2019. 76 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. Disponível em: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.2110
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2019.2110
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/31287
Date of defense: 28-Sep-2018
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