Estudos de determinação experimental dos coeficientes de reaeração e de dispersão longitudinal em rios

Abstract

Resumo: O estudo da dispersao e do transporte de substancias em rios sao importantes para o gerenciamento da qualidade da agua. Os modelos de qualidade da agua ao representar ou calcular as distribuicoes de concentracao, utilizam as equacoes de transporte de massa que sao funcoes de variaveis como velocidade media, caracteristicas geometricas do corpo d'agua e coeficientes representando processos, como a dispersao da pluma com o coeficiente de dispersao longitudinal (DL) e os processos de trocas gasosas com o coeficiente de reaeracao (Ka), que envolvem as reacoes de consumo de oxigenio entre a substancia lancada e o meio aquatico. Ambos os coeficientes descritos podem ser obtidos por meio de metodos experimentais, equacoes que consideram as caracteristicas hidraulicas do local de estudo ou tratados como parametros de calibracao em modelos. A determinacao de DL envolve experimentos com tracadores, que geram perfis de concentracao ao longo do tempo sendo aplicados o metodo dos momentos, metodo da propagacao, metodo de Chatwin, metodo da coroa de concentracao e metodo do pico da concentracao para sua determinacao. Para a determinacao experimental de Ka, o mais utilizado e o com tracadores gasosos, porem e um metodo com logistica e custos elevados. Uma alternativa e o metodo delta, desenvolvido por McBride e Chapra (2005), que utiliza o perfil da variacao de oxigenio dissolvido ao longo do dia para a estimativa de Ka. Este trabalho tem o objetivo de analisar e estimar experimentalmente os coeficientes de dispersao longitudinal e o de reaeracao, comparando diferentes metodos indiretos e diretos. Os locais de estudo foram rios localizados em Curitiba-PR e na Regiao Metropolitana, com ensaios com o tracador Rodamina B no rio Barigui para a estimativa de DL, e utilizando medicoes continuas de oxigenio dissolvido e temperatura da agua do rio Passauna, para a estimativa de Ka por meio do metodo delta. Apos a analise preliminar, foram aplicadas correcoes aos dados considerando as premissas dos metodos utilizados, para que diminuisse a incerteza dos resultados, como considerar a perda do tracador ao longo do rio para a determinacao de DL e desconsiderar os dias em que o perfil de oxigenio nao se adaptava com as premissas e hipoteses do modelo. O DL medio para o Rio Barigui foi de 5,46 m2/s com desvio padrao de 1,80 m2/s, e para o Rio Passauna o Ka medio foi de 10,42 d?1 com desvio padrao elevado de 13,56 d?1.

Abstract: The study of the dispersion and transport of substances in rivers are important for the management of water quality. Water quality models, when representing or calculating concentration distributions, use mass transport equations contemplating variables such as average velocity, geometric characteristics of the water body and coefficients representing processes, such as plume dispersion with the dispersion coefficient longitudinal (DL) and gas exchange processes with the reaeration coefficient (Ka), which involve chemical reactions between the released substance and the aquatic environment. Both coefficients described can be obtained through experimental methods, equations that consider the hydraulic characteristics of the study site or treated as calibration parameters in models. The determination of DL involves experiments with tracers, which generate concentration profiles over time by applying the method of the moments, routing procedure, a graphic procedure due to Chatwin and a method based on the properties of the fundamental solution of the differential equation of the advection-dispersion for its determination. For the experimental determination of Ka, the most used method is with gaseous tracers, but it is a method with high logistics and costs. An alternative is the delta method, developed by McBride e Chapra (2005), which uses the profile of dissolved oxygen variation throughout the day to estimate Ka. This work aims to experimentally analyze and estimate the longitudinal dispersion and reaeration coefficients, comparing different indirect and direct methods. The study sites were rivers located in Curitiba-PR and Metropolitan Region, with tests with the tracer Rodamina B in the Barigui river for the estimate of DL, and using continuous measurements of dissolved oxygen and water temperature of the Passauna river, for the estimate of Ka using the delta method. After the preliminary analysis, corrections were applied to the data considering the assumptions of the methods used, in order to reduce the uncertainty of the results, such as considering the loss of the tracer along the river for the determination of DL and disregarding the days when the profile of oxygen did not fit with the assumptions and hypotheses of the model. The average DL for the Barigui River was 5.46 m2/s with a standard deviation of 1.80 m2/s, and for the Passauna River the average Ka was 10.42 d?1 with a standard deviation of 13.56 d?1.