RESUMO
Climate variability and change, associated with increasing water demands, can have significant implications for water availability. In the Brazilian semi-arid, eutrophication in reservoirs raises the risk of water scarcity. The reservoirs have also a high seasonal and annual variability of water level and volume, which can have important effects on chlorophyll-a concentration (Chla). Assessing the influence of climate and hydrological variability on phytoplankton growth can be important to find strategies to achieve water security in tropical regions with similar problems. This study explores the potential of machine learning models to predict Chla in reservoirs and to understand their relationship with hydrological and climate variables. The model is based mainly on satellite data, which makes the methodology useful for data-scarce regions. Tree-based ensemble methods had the best performances among six machine learning methods and one parametric model. This performance can be considered satisfactory as classical empirical relationships between Chla and phosphorus may not hold for tropical reservoirs. Water volume and the mix-layer depth are inversely related to Chla, while mean surface temperature, water level, and surface solar radiation have direct relationships with Chla. These findings provide insights on how seasonal climate prediction and reservoir operation might influence water quality in regions supplied by superficial reservoirs.
Assuntos
Clorofila , Monitoramento Ambiental , China , Clorofila/análise , Clorofila A , Monitoramento Ambiental/métodos , Eutrofização , Lagos , Aprendizado de Máquina , Fósforo/análiseRESUMO
This study investigated the relationships between physical, limnological and climatic drivers with the internal total phosphorus (TP) loading produced over the dry period in 30 water supply reservoirs of the Brazilian semiarid. Improvements in the understanding of sedimentary TP fluxes in reservoirs of dryland regions are pressing as they usually have serious water quality related issues, remaining mostly eutrophic especially under frequent drought events. Gross daily fluxes and net seasonal average release rates were calculated from mass balance and regression equations considering water and sediment TP concentrations, anoxic duration, water temperature and fish contribution. Additionally, the ratio of wind speed to reservoir volume was proposed as a new surrogate and then applied as explanatory variable to predictive models. The results indicated TP release rates higher than reported for non-semiarid lakes/reservoirs with average gross fluxes ranging from 17.64 to 35.99 mg m-2 day-1. This may be attributed to the enriched sediments (1029.49 ± 552.49 mg kg-1) allied with warmer water temperature, high trophic state, and prolonged anoxic periods (average duration of about 60 days). The average release rates were negatively correlated with water transparency and water depth, and positively correlated with Chl-a, wind speed and trophic state. The release rates increased across the trophic gradient (p < 0.05), about 10-fold higher under hypertrophic conditions than in oligotrophic ones. As anoxia is linked with eutrophication, phosphorus release is more likely in eutrophic ecosystems. Regarding the new surrogate, a strong predictive ability for TP release (R2: 0.26-0.93) was observed. Similarly, the proposed models presented a physically consistent behavior with a stabilizing releasing pattern suggesting the achievement of equilibrium in nutrient exchange between sediment-water interface. This research advanced by combining and proposing methods to assess and quantify sedimentary fluxes in data-scarce regions balancing accuracy and transferability, in order to be replicable to other dryland environments globally.
Assuntos
Fósforo , Poluentes Químicos da Água , Brasil , China , Ecossistema , Monitoramento Ambiental , Eutrofização , Sedimentos Geológicos , Lagos , Nitrogênio/análise , Fósforo/análise , Poluentes Químicos da Água/análiseRESUMO
RESUMO Na concepção de obras hidráulicas, como as barragens, necessita-se, para um dimensionamento seguro, de estudos referentes às vazões máximas. O estado do Ceará é caracterizado por apresentar um número elevado de reservatórios projetados por equações empíricas antigas. Entretanto, devido aos poucos dados existentes em algumas regiões, necessita-se transpor informações das regiões monitoradas para as não monitoradas. Este trabalho elaborou modelos de regionalização para a obtenção de vazões máximas para períodos de retorno de 1.000 e 10.000 anos em barragens localizadas no Ceará. As variáveis empregadas nas equações foram: área de drenagem da bacia, comprimento do rio principal, tempo de concentração, precipitação com duração de uma hora e diferença de cota entre o exultório e o ponto mais remoto da bacia. Utilizaram-se os dados de projeto de 30 barragens e calcularam-se as vazões máximas por meio do software HEC-HMS. Os testes estatísticos e os valores dos coeficientes de determinação (0,95) permitem considerar as equações adimensionais propostas consistentes e passíveis de serem utilizadas em análises preliminares de projetos hidráulicos.
ABSTRACT In the design of hydraulic works, such as dams, studies referring to the peak flow rates are required for safe dimensioning. The state of Ceará is characterized by having a high number of reservoirs designed by ancient empirical equations. However, due to the limited data available in some regions, it is necessary to transpose information from monitored regions to unmonitored ones. This work elaborated regionalization models to obtain peak flows for return periods of 1,000 and 10,000 years in dams located in Ceará. The variables used in the equations were: drainage area of the basin, length of the main river, concentration time, rainfall lasting 1 hour, and the difference in elevation between the basin and the most remote point of the basin. Project data from 30 dams were used and the peak flows were calculated using the HEC-HMS software. The statistical tests and the values of the determination coefficients (0.95) allow to consider the proposed dimensionless equations consistent and capable of being used in preliminary analyzes of hydraulic projects.
RESUMO
The dynamics of total phosphorus (TP) in 18 strategic reservoirs of the high-density reservoir network of the Brazilian semiarid was evaluated during the wet and dry periods for the past 12 years. Seasonal overlying concentrations presented no significant differences for about 90% of the reservoirs (p>0.05). This was attributed to a trade-off between the hydrological/limnological processes occurring in the two seasons. Then, a transient complete-mix mass balance model was applied with particular adaptations for the tropical semiarid reservoirs to estimate the TP load for each season. Because of the relatively well-mixed conditions and high hypolimnetic dissolved oxygen concentrations during the wet season, the wet load was assumed to represent the external TP load. On the other hand, because of the absence of reservoir inflow during the dry season, phosphorus release under anoxic sediment conditions and wind-induced resuspension under shallow water depths, the dry load was assumed to reflect the internal TP load. The maximum external loads were related to peak inflows, notably after drought periods. Consistently, the largest internal loads were obtained during the drought periods, when the reservoirs were shallower and more prone to phosphorus release and resuspension. By comparing the impact of the two input load types, the wet period load was predominant in 72% of the reservoirs. The areal phosphorus loads ranged from 0.66 to 7.29 gP m2 year-1, which were consistent with the literature, despite the very high density of reservoirs. Finally, power-law curves including data for all studied reservoirs were adjusted between the dry period load and volume, dry and wet period loads, wet period load and inflow, and total load and catchment area, resulting in satisfactory R2 (0.84-0.98).
Assuntos
Fósforo , Poluentes Químicos da Água , China , Monitoramento Ambiental , Eutrofização , Hidrologia , Nitrogênio/análise , Fósforo/análise , Estações do Ano , Poluentes Químicos da Água/análise , Qualidade da ÁguaRESUMO
Hydrological data and total phosphorus (TP) concentration at reservoirs' outlet were combined in a transient complete-mix model to obtain mean input loads and inlet concentration-flow relationships. This approach was designed to investigate the issue of phosphorus pollution in semiarid regions with intermittent rivers. The methodology was applied for twenty reservoirs in the State of Ceará, Brazilian semiarid. The modeled TP loads correlated well (R2 = 0.74) with reference loads estimated from environmental inventories, with only 10% of underestimated results. The average input loads per unit area of the catchments ranged from about 4 to 40 kg km-2 yr-1, which were considerably lower than the national average of about 500 kg km-2 yr-1. This was attributed to lower precipitation indexes, intermittent river regime and a high-density reservoir network, peculiar of the Brazilian semiarid. Meanwhile, the input load per unit area of a small and highly populated urban catchment, with higher precipitation indexes and deficient sanitation was substantially higher (2626 kg km-2 yr-1). Moreover, the fitted TP concentration-flow relationships directly reflected different TP input sources: strong u-shaped behavior marked the curves of highly non-point source dominated catchments, whereas a dilution pattern prevailed in those with significant point source inputs. The model validation with measured riverine TP concentration reached a NSE of 0.63. However, peak values in TP concentration during low flow rates sensitively affected the fitting of the models. In spite of non-point source dominance in the catchments, some relationships presented a slight signal of this use type. The variation range of the fitting parameters in comparison with other studies, as well the expected behavior of the curves in light of land use characteristics, strongly support the methodology applied in this study. The proposed approach will potentially help address the TP issue in tropical semiarid regions. Furthermore, the paper presents a simple way to deal with the challenging lack of monitored data in such environments.
Assuntos
Fósforo , Poluentes Químicos da Água , Brasil , China , Monitoramento Ambiental , Nitrogênio/análise , Fósforo/análise , Rios , Poluentes Químicos da Água/análiseRESUMO
RESUMO O presente trabalho aplicou o Storm Water Management Model (SWMM) para simular e avaliar a resposta hidrológica do sistema de macrodrenagem de um rio costeiro, cuja bacia situa-se em área de transição urbano-rural e apresenta influência marítima em seu exutório. Assim, como condição de contorno de jusante, reconstruiu-se a curva de maré existente no exutório da bacia por meio do método harmônico. Ademais, realizou-se a delimitação dos trechos de escoamento e a discretização das sub-bacias automaticamente e desenvolveu-se um mapa de uso e ocupação do solo para obtenção dos parâmetros físicos e espaciais dos elementos da drenagem, etapas estas auxiliadas por ferramentas de Sistemas de Informações Geográficas (SIG). Procedeu-se à simulação das vazões no sistema para o período de um mês sob condição de precipitação moderada. A validação do modelo resultou em um coeficiente de Nash-Sutcliffe de 0,57. Os resultados mostraram que o SWMM simulou as vazões nos trechos de drenagem das sub-bacias rurais com desvio médio de 8,6% das vazões medidas em campo. Para os trechos sob influência marinha, o SWMM conseguiu reproduzir o efeito da maré nos trechos, apresentando uma oscilação completa. Ademais, obteve-se a descarga fluvial média da bacia ao estuário de 2,35 m3.s-1 e a vazão média mensal afluente ao maior reservatório da bacia de 0,33 m3.s-1, resultados estes em consonância com trabalhos anteriores realizados na bacia em estudo. Em síntese, os resultados obtidos e o modelo proposto têm potencial para auxiliar na gestão integrada de águas rurais, urbanas e costeiras.
ABSTRACT The present work applied the Storm Water Management Model (SWMM) to simulate and evaluate the hydrological response of a coastal river macrodrainage system whose basin is located in an urban-rural transition area and has a tidal influence in its outflow. Thus, as a downstream contour condition, the existing tidal curve in the basin's outlet was reconstructed using the harmonic method. In addition, drainage stretches and sub-basins were automatically delimited, and a land use and occupation maps were developed to obtain the physical and spatial parameters of the drainage elements, these steps being aided by Geographic Information Systems (GIS) tools. The flow was simulated in the system for a period of one month under a moderate precipitation condition. The validation of the model resulted in a Nash-Sutcliffe coefficient of 0.57. The results showed that the SWMM simulated the flows in the drainage stretches of the rural sub-basins with an average deviation of 8.6% of the flows measured in the field. For stretches under tidal influence, SWMM was able to reproduce the effect of the tide in the stretches with a complete oscillation. In addition, the river discharge from the basin to the estuary was 2.35 m3.s-1, on average, and the average monthly flow affluent to the largest reservoir in the basin was 0.33 m3.s-1, consistently with previous work carried out in the study basin. In summary, the results obtained and the proposed model have the potential to assist in the integrated management of rural, urban, and coastal waters.
RESUMO
RESUMO Os sistemas de drenagem urbana podem representar fontes de aporte de poluentes aos corpos receptores aos quais se destinam. Diante disso, o presente trabalho teve como objetivo propor uma ferramenta para modelagem do sistema de drenagem urbana da bacia da Vertente Marítima de Fortaleza, Ceará, visando à avaliação das cargas bacteriológicas. Para esse fim, foi selecionado o stormwater management model (SWMM) para as simulações hidrológicas e hidráulicas; propôs-se uma metodologia para o cálculo das cargas bacteriológicas por meio da estimativa da carga difusa [CD] (NMP. dia-1.ha-1) e para a correlação desta com uma série de variáveis hidroambientais; e analisaram-se cenários para diferentes condições de precipitação pluviométrica, coleta de esgoto e resíduos sólidos dispostos inadequadamente (RSDI). Os resultados mostraram que o SWMM oferece respostas representativas e que o período chuvoso é responsável pelo maior aporte da carga bacteriológica à orla. Em relação ao modelo preditivo, foi ajustada uma função de potência de segunda ordem correlacionando CD com a precipitação média mensal (mm.dia-1) para as três sub-bacias analisadas. Posteriormente, os coeficientes das equações encontradas foram correlacionados ao indicador RSDI (kg.dia-1), obtendo-se um ajuste logarítmico (R2 = 0,99), com o qual é possível gerar uma equação de estimativa de CD para qualquer sub-bacia da Vertente Marítima. A análise dos cenários mostrou haver aumento significativo da carga em precipitações extremas (2 vezes) e diminuição considerável com a elevação da fração da população interligada à rede de esgoto, bem como diminuição da produção de RSDI (0,28 e 0,38 vezes do valor inicial nos Riachos Jacarecanga e Maceió, respectivamente).
ABSTRACT Urban drainage systems can represent sources of pollutants input to the receiving bodies for which they are intended. Therefore, the present work aims to propose a tool for modeling the urban drainage system of the Vertente Marítima basin of Fortaleza, Ceará, aiming at the evaluation of bacteriological loads. For this purpose, the Stormwater Management Model (SWMM) was selected for the hydrological and hydraulic simulations; a methodology for the calculation of bacteriological loads was proposed by estimating the diffuse load [DL] (MPN, day-1.ha-1) and its correlation with a series of hydro-environmental variables and scenarios for different pluviometry precipitation conditions were analyzed, as well as sewage collection and inadequately disposed solid waste (IDSW). The results show that SWMM gives representative results and that the rainy season is responsible for the greater contribution of the bacteriological load to the seafront. Regarding the predictive model, a second-order potential function was adjusted by correlating DL with the average monthly precipitation (mm.day-1) for the three sub-basins analyzed. Subsequently, the coefficients of the equations found were correlated to IDSW (kg.day-1), obtaining a logarithmic adjustment (R2 = 0.99), with which it is possible to obtain a DL estimation equation for any sub-basin of Vertente Marítima. An analysis of the scenarios showed a significant increase of the load in extreme precipitations (twice) and a considerable decrease with the increase of the fraction of the population connected to the sewage network and the decrease of IDSW production (0.28 and 0.38 times the initial value in the Jacarecanga and Maceió Stream, respectively).
RESUMO
RESUMO Plumas ocorrem quando um fluido é descarregado em outro fluido com densidade diferente, como poluentes na atmosfera. Neste trabalho, desenvolveu-se um estudo experimental em um tanque de água e modelagem matemática usando a abordagem integral com o intuito de investigar o escoamento gerado por plumas salinas em escoamento uniforme e com estratificação de duas camadas. Os resultados indicaram que a altura da camada superior (menos densa) aumentou com a vazão de retirada da camada inferior e diminuiu com o fluxo de empuxo da pluma, corroborando os resultados disponíveis na literatura para sistemas alimentados por fontes pontuais (não uniformes). Após ajuste de parâmetros presentes na teoria clássica para plumas turbulentas, foi possível prever a altura da interface com desvios máximos de ±8% e coeficiente de Nash-Sutcliffe de 0,98. Isso indica que o escoamento uniforme não afetou significativamente a hidrodinâmica das plumas em comparação a estudos anteriores. Por outro lado, diferentemente dos sistemas alimentados por fontes pontuais, as linhas de fluxo obtidas por meio da injeção de corante no escoamento uniforme seguiram padrão de escoamento potencial, com toda a vazão sendo direcionada para a pluma e não havendo, portanto, mistura na interface entre as duas camadas. Dessa forma, partindo do princípio de conservação de massa, foram propostas equações para gerar as linhas de fluxo ao redor das plumas, as quais foram confirmadas com os dados experimentais. Finalmente, foram apresentadas aplicações práticas do modelo proposto em sistemas de ventilação natural em edifícios e descarga de poluentes na atmosfera sob condição de inversão térmica.
ABSTRACT Plumes occur when a fluid is discharged into another fluid with different density, such as pollutants in the atmosphere. In this work, an experimental study was carried out in a water tank and a mathematical modelling using the integral approach was performed to investigate the flow generated by saline plumes in uniform flow with two-layer stratification. The results indicated that the upper layer's height (less dense) increased with the outflow from the lower layer, and decreased with the buoyancy flux of the plume, confirming the results available in the literature for systems supplied by point sources (non-uniform sources). After fitting the parameters of the classical theory for turbulent plumes, it was possible to predict the interface's height with a maximum deviation of ±8%, and a Nash-Sutcliffe coefficient of 0.98. This indicates that the uniform flow did not affect significantly the plumes' hydrodynamics compared to previous studies. On the other hand, unlike the systems supplied by point sources, the streamlines obtained through the injection of dye into the uniform flow followed a potential flow pattern, with all the flow being directed to the plume, therefore not mixing at the interface between the two layers. Thus, based on the principle of mass conservation, equations were proposed to generate the streamlines around the plumes, which were validated with the experimental data. Finally, practical applications of the proposed model in natural ventilation in buildings and pollutant discharges in the atmosphere were presented.
RESUMO
RESUMO No presente trabalho, avaliou-se em escala de laboratório e por meio de modelagem matemática o processo de desestratificação da coluna d'água usando aeração por ar difuso. Foram identificados dois padrões de escoamento: um regime de pluma, no qual o escoamento induzido pelas bolhas penetra na interface entre as duas camadas de diferentes densidades e ascende à superfície da água; e um regime de fonte, no qual o escoamento penetra parcialmente na interface e colapsa para formar uma camada de densidade intermediária. Os resultados experimentais mostraram que o regime de pluma promove mistura mais rápida da camada superior (epilímnio) do que o regime de fonte. Os tempos de mistura da camada inferior (hipolímnio), entretanto, foram praticamente os mesmos para os dois regimes. Após o ajuste de parâmetros do modelo que descreve a incorporação do fluido ambiente na pluma e na fonte, pôde-se simular o processo de desestratificação da coluna d'água com boa aderência aos dados experimentais obtidos nesta pesquisa e em trabalhos anteriores. Por fim, o modelo validado foi aplicado para a simulação do impacto de diferentes vazões de ar na evolução temporal do processo de desestratificação de reservatórios (escala real), sendo discutidos os custos com energia elétrica para bombeamento e as possíveis implicações na qualidade da água desses corpos hídricos.
ABSTRACT In the present work, the destratification process of water column using diffused-aeration was evaluated at laboratorial scale by mathematical modelling. Two flow patterns were identified, a plume regime, in which the bubble-induced flow penetrates the interface (density gradient) and rises to the water surface, and a fountain regime, in which the flow partially penetrates the interface and collapses to form an intermediate-density layer. The experimental results showed that the plume regime promotes a faster mixing of the upper layer (epilimnion) than the fountain regime. However, the mixing times of the lower layer (hypolimnion) were practically the same for both regimes. After adjusting the parameters that describe the entrainment of the ambient fluid into the plume and fountain, it was possible to simulate the process of water column destratification with good adherence to the experimental data obtained in this research and previous studies. Finally, the validated model was applied to simulate the impact of different airflow rates on the reservoir destratification process' (real scale) time evolution, and the possible implications for the water quality of these water bodies were discussed.
RESUMO
ABSTRACT This study shows how the sedimentation process in reservoirs affects the yield-spill-evaporation losses in reservoirs of Ceará State, Brazilian Northeast. Reservoirs are assumed to have, initially, inverted conical shape. Three forms of sedimentation were investigated: type 1, with deposition occurring parallel to the wetted perimeter; type 2, deposition distributed proportionally to the water depth; and, type 3, deposition concentrated in the reservoir bottom. These sedimentation patterns were found in many reservoirs in Ceará, with capacity ranging from about 0.5 to 100 hm3. Nevertheless, type 2 pattern was the most frequent. In this paper, five large reservoirs, over 100 hm3, were studied using Monte Carlo approach, and considering the silting over the time horizon. It was found that sediment distribution can significantly affect the yield-spill-evaporation trade-off on large reservoirs. Type 1 results have the lowest impact on reservoir yield, followed by type 2 and type 3. For Cedro reservoir, the yield would go to zero in 2115, assuming a type 3 deposition pattern. These results reinforce the need for monitoring sedimentation in large reservoirs in the Brazilian semiarid region. In addition, this study provides a relatively simple methodology to predict the impact of siltation on reservoir yield-spill-evaporation relationships, for the three most found patterns of sedimentation.
RESUMO Este estudo mostra como o processo de sedimentação em reservatórios afeta o balanço entre vazão regularizada, sangria e perdas por evaporação em reservatórios do estado do Ceará. Presume-se que os reservatórios tenham, inicialmente, forma cônica invertida. Foram investigadas três formas de sedimentação: tipo 1, com deposição paralela ao perímetro molhado; tipo 2, com deposição distribuída proporcionalmente à profundidade da água; e tipo 3, com deposição concentrada no fundo do reservatório. Esses padrões de sedimentação foram encontrados em diversos reservatórios do Ceará, com capacidades de aproximadamente 0,5 a 100 hm3. No entanto, o padrão tipo 2 foi o mais frequente. Neste trabalho, foram estudados cinco grandes reservatórios, com capacidades superiores a 100 hm3, utilizando-se a abordagem de Monte Carlo e levando em conta o assoreamento ao longo do horizonte temporal. Verificou-se que a distribuição de sedimentos pode afetar significativamente o balanço entre vazão regularizada, sangria e perdas por evaporação em grandes reservatórios. Os resultados para o padrão tipo 1 têm menor impacto sobre a vazão regularizada do reservatório, seguido dos tipos 2 e 3. Para o reservatório Cedro, a vazão regularizada seria zero em 2115, assumindo um padrão de deposição tipo 3. Esses resultados reforçam a necessidade de monitoramento do assoreamento em grandes reservatórios do semiárido brasileiro. Além disso, este estudo fornece uma metodologia relativamente simples para prever o impacto do assoreamento na relação entre vazão regularizada, sangria e perdas por evaporação, para os três padrões de sedimentação mais comumente encontrados.
RESUMO
RESUMO O crescimento desordenado da capital piauiense - marcado, sobretudo, pela ocupação habitacional às margens do rio Poti e pela existência de ligações clandestinas de esgoto bruto nas tubulações de drenagem pluvial - tem contribuído significativamente para a poluição das águas da bacia hidrográfica do rio Parnaíba (região semiárida do Brasil). A presente pesquisa tem como objetivo realizar a modelagem matemática da qualidade da água em um trecho de 36,8 km de extensão do rio Poti, com base na plataforma QUAL-UFMG. A pesquisa apresenta-se como o primeiro estudo envolvendo modelagem da qualidade da água no referido rio. Os componentes modelados foram: oxigênio dissolvido (OD), demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e coliformes termotolerantes (CT). Os resultados das medições de campo indicaram desconformidades do parâmetro CT com relação à Resolução CONAMA nº 357/2005. A calibração dos coeficientes de decaimento para cada parâmetro resultou em desvios médios entre dados medidos e modelados de até 20% e coeficientes de eficiência de Nash-Sutcliffe superiores a 0,75, o que indica que o QUAL-UFMG pode ser utilizado como base para predição da qualidade da água em rios localizados em regiões semiáridas. O modelo calibrado também foi comparado aos dados de campo obtidos na literatura. Finalmente, foram realizadas simulações do modelo para diferentes cenários de vazão (mínimas e máximas), apresentando resultados coerentes e que podem ser utilizados para a gestão dos recursos hídricos do estado do Piauí.
ABSTRACT The uncontrolled growth of Piauí's capital, in Brazil, characterized mainly by the occupation of the banks of the river Poti and the existence of illegal connections of raw sewage in rainwater drainage pipes, has contributed significantly to water pollution in the basin of Parnaíba river (semiarid region of Brazil). This research aims at performing the mathematical modeling of water quality in an area of 36.8 km of the Poti river, based on the QUAL-UFMG platform. The research is presented as the first study involving modeling of water quality in said river. Modeled components were: dissolved oxygen (DO), biochemical oxygen demand (BOD) and thermotolerant coliforms (TC). The results obtained from field measurements indicated nonconformities of the parameter TC with respect to CONAMA Resolution nº 357/2005. The calibration of the decay coefficients for each parameter resulted in mean deviations between measured and modeled data of up to 20% and Nash-Sutcliffe efficiency coefficients higher than 0.75, which indicate that the QUAL-UFMG can be used as a basis for predicting the water quality in rivers of semiarid areas. The calibrated model was also compared to field data obtained from the literature. Finally, model simulations were performed for different flow scenarios (minimum and maximum), with consistent results that can be used for the management of the Piauí state water resources.
RESUMO
RESUMO O artigo teve como objetivo apresentar uma metodologia para caracterização da qualidade de água na Bacia Hidrográfica do Açude Acarape do Meio, no semiárido brasileiro. O mapeamento do uso do solo e o monitoramento de parâmetros de qualidade de água possibilitaram a identificação de fontes poluidoras e a construção do diagnóstico da bacia. A partir da modelagem da qualidade de água, 37 km do Rio Pacoti foram classificados como classe 4, exceto sua nascente, que ficou na classe 2. As principais fontes poluidoras para a degradação dos corpos hídricos foram as deficitárias Estações de Tratamento de Esgoto (ETEs), a falta de saneamento básico na zona rural, a pecuária e a atividade agrícola. O modelo QUAL-UFMG estimou a carga de entrada de fósforo no açude em 13,7 ton.ano-1 para uma concentração de 0,56 mg.L-1 e vazão média em 1,48 m³.s-1. Os coeficientes calibrados K1, Ks, Kd, Kb, Kspo, Koi e K2 foram iguais a 0,45 d-1, 0,29 d-1, 0,68 d-1, 0,65 d-1, 0,1 d-1, 0,01 d-1 e 5,4 d-1, respectivamente. Avaliaram-se as intervenções políticas e infraestruturais na bacia em dois cenários: melhoria na eficiência de operação das ETEs e efetivação de políticas públicas, que reduziram consideravelmente a carga de fósforo.
ABSTRACT This paper aimed at presenting a methodology for evaluating the water quality at the Acarape do Meio catchment, in the Brazilian semiarid. The land use mapping and monitoring of water quality parameters enabled the identification of main polluting sources and the construction of a catchment diagnosis. According to the water quality modelling, a stretch of 37 km along the Pacoti River was classified as class 4, except for those ones located at the catchment headwater, which was classified as class 2. The main polluting sources contributing to the water degradation were the inefficient Sewage Treatment Plants, the lack of basic sanitation in rural areas, livestock and agriculture activities. The QUAL-UFMG model estimated an affluent phosphorous load at the reservoir entrance of 13.7 ton.year-1 for the concentration of 0.56 mg.L-1 and mean water discharge of 1.48 m³.s-1. The K1, Ks, Kd, Kb, Kspo, Koi and K2 coefficients were 0.45, 0.29, 0.68, 0.65, 0.1, 0.01 and 5.4 d-1, respectively. The impacts of political and infrastructural measures over the catchment were evaluated taking into account two scenarios: improvement of efficiency at Sewage Treatment Plants and implementation of effective public policies, which reduced significantly the affluent phosphorous load into the reservoir.
RESUMO
RESUMO Nesta pesquisa, estudou-se o desempenho de três filtros biológicos anaeróbios com novos e diferentes meios de suporte em tempos de detenção hidráulica (TDH) distintos (5,5 e 11,1 horas), objetivando a remoção de algas de efluentes de lagoas de estabilização. O considerável desempenho no pós-tratamento (remoções de até 77,4%) pode ser atribuído à atuação dos mecanismos de sedimentação, retenção física e assimilação biológica. Foi desenvolvido um modelo de decaimento para clorofila com base na simplificação da equação de transporte de massa. O coeficiente global de decaimento foi descrito como uma função dos números de Reynolds e Weber, obtida por meio de ajuste aos dados experimentais com um coeficiente de determinação superior a 0,96. Para confirmação de que a função de Reynolds e Weber descreve bem o comportamento de k, foram realizadas simulações do impacto das seguintes variáveis na eficiência de remoção de algas: comprimento do filtro (altura do leito), diâmetro do filtro, diâmetro do meio suporte, porosidade, vazão, tensão superficial e da viscosidade do líquido. As simulações desenvolvidas demonstraram coerência nos resultados, reforçando que os números de Reynolds e Weber, assim como o modelo de fluxo em pistão, podem ser usados para descrever o processo de remoção de algas em filtros anaeróbios.
ABSTRACT In this research we studied the performance of three anaerobic biological filters with new and different support media in different hydraulic retention time (HRT): 5.5 and 11.1 hours, aiming at the removal of wastewater stabilization ponds of algae. The considerable performance in the post-treatment (removal of up to 77.4%) can be attributed to the actions of sedimentation mechanisms, physical restraint and biological assimilation. It has developed a model for chlorophyll decay from the simplification of mass transport equation. The overall decay coefficient was described as a function of Reynolds and Weber numbers, which was obtained through adjusting the experimental data with a determination coefficient greater than 0.96. To confirm that the Reynolds and Weber function describes well the k behavior, simulations were made of the impact of these variables on algae removal efficiency: filter length (bed height), filter diameter, the diameter of the support means, porosity, flow, surface tension and viscosity of the liquid. Simulations show consistency in the results, reinforcing that the Reynolds and Weber numbers and the flow model of piston may be used to describe the process of removing algae in anaerobic filters.
RESUMO
Neste estudo foram realizados experimentos para investigar o tamanho de bolhas de ar formadas a partir de difusores não porosos em um tanque de água. O tamanho das bolhas individuais e o diâmetro de Sauter foram avaliados usando uma técnica de processamento de imagens. Os resultados confirmam que a vazão de ar e o diâmetro do orifício são parâmetros importantes que controlam a distribuição do tamanho das bolhas e o diâmetro de Sauter. Análise dimensional é realizada para fornecer uma relação adimensional geral para predição do diâmetro de Sauter (usando uma escala de comprimento adequada, baseada na vazão de ar) e o número de Reynolds na saída do orifício. Essa relação apresenta bom ajuste aos dados experimentais obtidos neste estudo e a partir de investigações anteriores disponíveis na literatura, incluindo também experimentos com múltiplos orifícios. Finalmente, são apresentadas aplicações potenciais da relação adimensional obtida.
Experiments are conducted in this study to investigate the size of air bubbles formed from orifice diffusers in a water tank. The size of individual bubbles and the Sauter diameter are evaluated using an image processing technique. The results confirm that the air flow rate and the nozzle diameter are important parameters controlling the bubble size distribution and Sauter diameter. Dimensional analysis is performed to provide a general dimensionless relationship for the bubble Sauter diameter by using an appropriate length scale, which is based on the air flow rate, and the Reynolds number at the nozzle exit. This relationship fits well the experimental data from this study and previous investigations available in the literature, also including experiments for multiple orifice diffusers. Finally, potential applications of the dimensionless relationship obtained here are presented.
RESUMO
A injeção de misturas de ar e água na forma de jatos bifásicos é bastante usada para a aeração artificial em tanques e corpos hídricos. No presente trabalho, foram realizados experimentos para investigar a transferência de massa induzida por estes jatos em um tanque de aeração. Os resultados forneceram eficiências de transferência de oxigênio padrão variando entre aproximadamente 5 e 9%. Combinando-se os dados obtidos nesta pesquisa com os disponíveis na literatura, foram geradas correlações adimensionais para o coeficiente de transferência de massa em função da fração volumétrica de ar e do número de Froude densimétrico. Finalmente, os resultados foram aplicados a situações práticas envolvendo sistemas de aeração por jatos bifásicos.
The injection of air-water mixtures through two-phase jets is widely used for artificial aeration in tanks and water bodies. In this study, experiments were conducted to investigate mass transfer induced by such jets in an aeration tank. The results provided standard oxygen transfer efficiencies ranging from about 5 to 9%. Combining the results obtained here with those from previous investigations allowed to generate dimensionless correlations for the mass transfer coefficient as a function of the gas volume fraction and the densimetric Froude number. Finally, the results were applied to practical situations involving two-phase jet aeration systems.
RESUMO
Jatos bifásicos do tipo gás-líquido são bastante usados nas engenharias sanitária e ambiental para fins de aeração artificial e mistura turbulenta. O presente trabalho investiga a turbulência gerada por meio desses jatos em um tanque de água, utilizando velocimetria por imagem de partículas. As condições experimentais incluíram jatos bifásicos com frações volumétricas de ar de até 70 por cento e números de Reynolds variando entre 10.600 e 17.700. Os resultados dos ensaios indicaram que a fração volumétrica de ar afeta consideravelmente as propriedades turbulentas da fase líquida, enquanto o número de Reynolds apresenta efeito secundário. Correlações adimensionais foram então obtidas para expressar a energia cinética turbulenta e a taxa de dissipação de energia em função desses dois parâmetros. Finalmente, são apresentadas possíveis aplicações dos resultados deste trabalho.
Two-phase gas-liquid jets are widely used in the sanitary and environmental engineering field for artificial aeration and turbulent mixing. The present work investigates the turbulence generated by these jets in a water tank, using particle image velocimetry. The experimental conditions included two-phase jets with gas volume fractions of up to 70 percent and Reynolds numbers ranging from 10,600 to 17,700. The results indicated that the gas volume fraction affects significantly the turbulent properties of the liquid phase, while the Reynolds number presents a secondary effect. Dimensionless correlations were then obtained to express the turbulent kinetic energy and dissipation rate as a function of these two parameters. Finally, possible applications of the results obtained in this work are presented.