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Modelagem Hidrodinâmica e Qualidade da Água

Um modelo hidrodinâmico (modelagem hidrodinâmica) busca representar o funcionamento de um corpo hídrico, sendo aplicado em estudos, projetos e gestão dos recursos naturais, especialmente em lagos, reservatórios, estuários e zonas costeiras adjacentes a bacias hidrográficas.

A integração entre os modelos hidrodinâmicos (modelagem hidrodinâmica) e de qualidade da água permitem simular modificações nos ecossistemas devido a mudanças na população, uso e ocupação do solo ou gerenciamento dos recursos hídricos, permitindo assim prever os aspectos (positivos ou negativos) das mudanças no ecossistema.

O emprego de modelos integrados na vertical é aceitável quando os fluxos de quantidade de movimento são predominantemente horizontais e existindo assim pouca ou nenhuma estratificação no corpo d’água a ser estudado .

Um corpo hídrico raso pode ser formalmente definido como aquele cujo comprimento característico do fenômeno estudado é, no mínimo, vinte vezes maior que a profundidade, sendo assim, passível de utilizar a integração na vertical.

Uma vez calibrado, o modelo permitirá rápida simulação de cenários, a custos reduzidos, para o gerenciamento do corpo d’água no qual foi implementado.

A Lentz Meio Ambiente utiliza o SISBAHIA (Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental) para simular as condições hidrodinâmicas e realizar os estudos de dispersão e de qualidade da água.

SISBAHIA

O SISBAHIA é um sistema profissional de modelos computacionais registrado pela Fundação Coppetec, do Instituto Aberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia (COPPE/UFRJ). As novas versões do SISBAHIA têm sido continuamente desenvolvidas desde 1987.

O modelo utiliza elementos de grade quadrangulares e triangulares para descrever os meandros do estuário simulado. Por isso, o método de elementos finitos resolve as equações diferenciais em cada um dos elementos para descrever o problema como um todo.

A grade utilizada na simulação abrange toda a baía, com as isolinhas de profundidade (Figura 1) obtidas a partir das cartas de DHN (Departamento de Hidrografia e Navegação da Marinha do Brasil).

Qualidade da Água e relevo de fundo hidrodinâmica
Figura 1 – Grade utilizada na simulação computacional e contornos de relevo de fundo (profundidade) do estuário, obtidos a partir das cartas náuticas da DHN.

A simulação hidrodinâmica do estuário na grade de elementos finitos mostra os resultados tridimensionais de corrente a cada intervalo de tempo, mas também podem ser resumidos em uma corrente resultante (média das correntes de entrada menos a média das correntes de saída da baía),demonstrando o fluxo predominante (Figura 2). 

Qualidade da Água correntes hidrodinâmica
Figura 2 – Exemplo de Correntes resultantes simuladas pelo modelo SisBahia (região estuarina de Marajó – março/2018 – m/s).

Modelagem hidrodinâmica da Zona de Mistura Ativa no Campo Próximo

As emissões de efluentes em rios, estuários e oceanos são realizadas, usualmente, através de difusores. Os difusores são tubulações lineares com portas ou orifícios regularmente espaçados, que permitem a injeção de jatos turbulentos no corpo d’água receptor.

A difusão turbulenta do campo próximo realiza a mistura entre o efluente e a água do corpo receptor, sendo que nessa zona imediata no entorno do difusor ocorre a diluição inicial (e mais significativa) do efluente.

A zona de mistura inicial é definida como a região onde a difusão turbulenta promove um significativo decaimento das concentrações do efluente em função da distância com a origem do lançamento, ou seja, o limite da zona de mistura é definido com a distância onde o processo de diluição cessa (concentração assume valores praticamente constantes).

A zona de mistura possui todas as características usuais de um modelo de pluma de efluentes, em especial, a espessura e o comprimento da pluma (região de mistura). A espessura da pluma é dada pelas características do lançamento e do escoamento do meio – quanto mais próximos estiverem os difusores, maior será a espessura da pluma, pois as emissões dos difusores tendem a se agrupar em uma única pluma.

Comprimento da região de mistura

O comprimento da região de mistura é diretamente proporcional ao escoamento do meio – quanto mais intenso for esse escoamento, mais rápido a pluma se desloca no corpo d’água, alcançando distâncias maiores enquanto ainda ocorre a diluição.

A estratificação do ambiente atua acelerando a diluição da pluma, com efeito inverso sobre a zona de mistura, diminuindo o comprimento da pluma inicial.

As características da pluma são constituídas pela concentração (c), altura do topo da pluma em relação ao fundo (zm), espessura (hn) e o comprimento da região de mistura inicial (campo próximo) (xn), em campo próximo no escoamento com densidade variável (Figura 3).

Densidade Variável Hidrodinâmica
Figura 3 – Principais características da pluma sob ação de correntes em ambientes com densidade variável.

Estudo de Dispersão de Efluentes em Águas Fluviais e Marítimas

A emissão de poluentes nos rios e mares é algo quase tão antigo quanto a própria história da civilização, sendo assim a dispersão desses poluentes e a forma com a qual eles interagem com o corpo hídrico é algo ainda bastante estudado, dada a enorme importância disso para o desenvolvimento sustentável.

O Estudo de Dispersão de Efluentes (EDE) busca compreender as interações entre os efluentes lançados e o corpo hídrico receptor. As emissões ocorrem de forma programada (eventual), contínua (emissários) ou acidental (derramamento).

Em cada uma dessas formas de emissão, a velocidade das interações entre o efluente e o meio mudam, pois embora os processos ambientais sejam os mesmos, as características do efluente e do meio são sempre únicas.

Cada Estudo de Dispersão de Efluentes (EDE) é feito considerando todas as particularidades de cada local, como temperaturas, velocidades, vazões, taxas de emissão e concentrações e os resultados apresentados são sempre específicos para cada empreendimento e entregues exclusivamente ao cliente.

Estudo de Dispersão de Petróleo Derramado em Águas Fluviais e Marítimas

Com o crescente volume de petróleo sendo transportado por petroleiros e oleodutos submersos, torna-se também crescente o risco e, portanto, a necessidade de mais conhecimento e mais informações, sejam estas para melhorar a atuação preventiva ou corretiva.

Os modelos de transporte e degradação de óleo podem ser utilizados dentro desses dois aspectos (preventivos e corretivos), pois permitem simular situações passíveis de ocorrer, testando e avaliando os planos de ação elaborados para eventuais acidentes futuros (atuação preventiva).

O aspecto corretivo é dado pelo uso do modelo durante ou após o derramamento, para planejar e determinar as contramedidas mais eficazes na contenção da mancha no estado em que ela se encontra e de acordo com a previsão de sua evolução.

Portanto, a atuação eficiente para a remoção do óleo derramado depende do conhecimento do tamanho da mancha que será formada (para dimensionar a contenção necessária) e da capacidade de prever o comportamento do óleo derramado no curto e longo prazo.

Os modelos de hidrodinâmica que se propõem a simular as diversas fases do derramamento de óleo separam os processos governantes em nove categorias (Figura 4): advecção, espalhamento, evaporação, dissolução, emulsificação, dispersão, oxidação, afundamento (com sedimentação) e biodegradação.

intemperismo de óleo derramado
Figura 4 – Processos de transporte e intemperismo de óleo derramado.


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