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 |
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.
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.
Após selecionar a malha
que se deseja usar neste modelo, basta colocar o título no modelo e clicar em
aceitar. Logo serão abertas as demais pastas: .
Na pasta ‘Parâmetros’ há três subpastas: .
A subpasta ‘Hidrodinâmicos’
deste modelo é idêntica à do modelo de sal, já foi explicado
anteriormente.
Subpasta ‘Reações Cinéticas’:
Nesta subpasta, o usuário
deverá informar:
w Hora em que
será iniciada a simulação do modelo;
w Temperatura
do Ar (Máx. e Min.);
w Radiação
(Constante ou Variável);
w Constante
è , usada
para informar a radiação solar durante o dia da simulação.
w Variável è , usada para calcular o fator de transmissão da radiação
solar. (??)
, aqui o
usuário deverá informar qual a nebulosidade em %.
, este
comando é para informar a data em que vai ser simulado o modelo.
w Calor
Específico;
w Umidade
do Ar. (atualizar)
Os procedimentos nas
pastas são iguais aos citados para o modelo de sal.
Em elaboração.
Em elaboração.
Em elaboração.
Em elaboração.
Em elaboração.
Última revisão: 17/06/2007