HUGO ALEXANDRE SOARES GUEDES MODELAGEM DA QUALIDADE DA ÁGUA E DA CAPACIDADE DE AUTODEPURAÇÃO DO RIO POMBA Dissertação apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola, para obtenção do título de Magister Scientiae. VIÇOSA MINAS GERAIS - BRASIL 2009 HUGO ALEXANDRE SOARES GUEDES MODELAGEM DA QUALIDADE DA ÁGUA E DA CAPACIDADE DE AUTODEPURAÇÃO DO RIO POMBA Dissertação apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola, para obtenção do título de Magister Scientiae. APROVADA EM: 21 de julho de 2009. “Deus só nos faz desejar aquilo que ele sonha para nós” Santa Terezinha do Menino Jesus “Se os homens voltassem mais a mente ao que a Natureza está a lhes mostrar, seguindo-a, melhor seria toda gente” Dante Alighieri ii Especialmente aos meus queridos pais, Onofre e Maria Helena, Pelo imenso apoio e incentivo em todos os momentos da minha vida, pelas orações incansáveis; e pela distância sentida durante todo esse período. À minha amada noiva Clara, Pelos dias que deixei de dedicar todo amor que merecia; pelo lindo sorriso que escapava de seus lábios a cada regresso meu; e pela força, apoio e conselho em todos os momentos. À minha irmã Natália e demais entes queridos, Pela alegria do convívio, pelas palavras certas na hora certa, por todo carinho e apoio transmitidos. Dedico este trabalho. iii AGRADECIMENTOS A Deus, por fazer de mim “luz para as nações, para que a Sua salvação chegue até os confins da terra” (Isaías 49, 6b). A CAPES, pelo auxílio financeiro concedido através de bolsa de estudo fundamental para a realização deste trabalho. Ao Professor Demetrius David da Silva, pela orientação objetiva, pelo apoio e incentivo nas horas difíceis, pela dedicação profissional e pelos conselhos nas horas de indecisão; Aos Professores Antonio Teixeira de Matos, Celso Bandeira de Melo Ribeiro e José Homero Pinheiro Soares, pela co-orientação do trabalho e, muito mais que isso, pelo ombro amigo disponibilizado em todos os momentos. À Universidade Federal de Viçosa e a todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Agrícola, por me acolher e apresentar a qualidade do ensino, pesquisa e extensão no Brasil. À bolsista de iniciação científica Iara de Castro e Oliveira, pelo companheirismo e dedicação nos árduos trabalhos de campo e nas intermináveis análises laboratoriais. Ao Simão e a todas as pessoas do Laboratório de Qualidade da Água que contribuíram para as análises das amostras de água. iv Aos amigos do Grupo de Pesquisas em Recursos Hídricos (GPRH), Abrahão, Felipe, Danilo, Jonathas, Luana, Camila, Donizete e Raquel, entre outros, pelo apoio, incentivo e profissionalismo. A todos meus amigos do Ministério Universidades Renovadas de Juiz de Fora, por renovar as minhas forças em cada encontro. Aos meus amigos de graduação Ana, Eduardo e Gislaine, pelas orações e apoio constantes em cada momento vivido. E a todos que de alguma forma contribuíram para a realização de mais uma conquista. A todos, muito obrigado! v BIOGRAFIA HUGO ALEXANDRE SOARES GUEDES, filho de Onofre de Matos Guedes e Maria Helena Soares Guedes, nasceu no dia 07 de janeiro de 1984, em Juiz de Fora. Em julho de 2007 concluiu o curso de graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Juiz de Fora – UFJF, com ênfase em Hidráulica e Saneamento Ambiental. Foi homenageado como estudante de melhor desempenho acadêmico entre os formandos do segundo semestre de 2007. Durante a graduação, no período de 2005 a 2007, foi bolsista de iniciação científica da FAPEMIG na área de Hidráulica e Saneamento Ambiental. Em agosto de 2007 iniciou o mestrado no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola na Universidade Federal de Viçosa, concentrando seus estudos na área de Recursos Hídricos e Ambientais, submetendo-se à defesa da dissertação em julho de 2009. vi CONTEÚDO LISTA DE TABELAS.............................................................................................................ix LISTA DE FIGURAS..............................................................................................................xi RESUMO................................................................................................................................xiv ABSTRACT ...........................................................................................................................xvi 1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................................1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................5 2.1 Qualidade da água .........................................................................................................5 2.1.1 Fontes de poluição..................................................................................................6 2.2 Capacidade de autodepuração em rios ..........................................................................8 2.3 Modelagem matemática como ferramenta de gestão dos recursos hídricos ...............12 2.3.1 Critérios de escolha dos modelos matemáticos ....................................................13 2.3.2 Modelo analítico de Streeter-Phelps modificado..................................................14 2.3.3 Modelo QUAL-UFMG.........................................................................................21 2.3.4 Modelo QUAL2Kw..............................................................................................27 2.4 Parâmetros cinéticos....................................................................................................40 2.4.1 Coeficiente de desoxigenação (K1) ......................................................................40 2.4.2 Coeficiente de reaeração (K2)...............................................................................41 2.4.3 Coeficiente de sedimentação (K3) ........................................................................45 2.5 Verificação dos padrões atuais de qualidade da água .................................................46 3. MATERIAL E MÉTODOS...............................................................................................47 3.1 Bacia hidrográfica do rio Pomba.................................................................................47 3.2 Modelagem da qualidade da água ...............................................................................53 vii 3.2.1 Escolha do trecho do rio Pomba a ser modelado..................................................54 3.2.2 Análise de sensibilidade dos modelos ..................................................................55 3.2.3 Obtenção e utilização dos dados...........................................................................55 3.2.4 Autodepuração e parâmetros cinéticos para a simulação .....................................63 3.2.5 Calibração dos modelos de qualidade de água .....................................................66 3.2.6 Validação dos modelos de qualidade de água ......................................................67 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES .....................................................................................68 4.1 Análise de sensibilidade dos modelos.........................................................................68 4.2 Calibração dos modelos de qualidade de água............................................................71 4.2.1 Parâmetros cinéticos.............................................................................................71 4.2.2 Dados hidráulico-hidrológicos .............................................................................75 4.2.3 Parâmetros físicos, químicos e biológicos............................................................77 4.2.4 Tratamento estatístico...........................................................................................89 4.3 Validação dos modelos de qualidade de água.............................................................91 4.4 Discussão referente aos modelos matemáticos de qualidade de água.........................94 5. CONCLUSÕES...................................................................................................................96 6. RECOMENDAÇÕES.........................................................................................................97 REFERÊNCIAS .....................................................................................................................99 APÊNDICES .........................................................................................................................110 APÊNDICE 1......................................................................................................................111 APÊNDICE 2......................................................................................................................116 APÊNDICE 3......................................................................................................................122 APÊNDICE 4......................................................................................................................126 viii LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Principais fontes poluidoras e possíveis efeitos sobre os recursos hídricos............................................................................................................ 7 Tabela 2.2 Valores típicos de K1 (20°C).........................................................................