O documento discute modelos ecológicos para qualidade da água, incluindo modelos de difusão e reação que descrevem como propriedades na água, como nutrientes e biomassa, são afetadas por processos físicos, químicos e biológicos. Os processos incluem crescimento e decomposição de fitoplâncton e zooplâncton, e ciclos de nitrogênio, fósforo e oxigênio. Os modelos são calibrados usando dados de laboratório e de campo.

1. Aula 04
Qualidade da água e modelos ecológicos
Sebastian Krieger
(sebastian@nublia.com)

2. Sumário
● Introdução
● Modelos de difusão e reação
● Processos de qualidade da água

3. Introdução
● Ferramentas utilizadas no apoio à gestão de
qualidade da água:
– Observação;
– Análise teórica;
– Modelagem numérica.
● A escolha do modelo deve ser baseada em:
– Tipo de corpo d’água;
– Escala temporal e espacial;
– Processos físicos disponíveis;
– Custo operacional.

4. Qualidade da água
● Escalares não-conservativos (ou seja, a maioria das
substâncias existentes na água), sofrem modificação
de concentração através de processos:
– físicos;
– biológicos e
– químicos.
● Processos biológicos e químicos (reações cinéticas)
são definidos para cada substância estudada;

5. Mas...
● Antes de avaliar a qualidade da água deve-se
conhecer as condições dinâmicas do
sistema;
● Elas que influenciam o transporte e
consequentemente as transformações de
químicas e biológicas na água

6. O que vai acontecer?
t=t0

7. O que vai acontecer?
t=t0
t=t1
=t0
+Δt

8. O que vai acontecer?
t=t0
t=t1
=t0
+Δt t=t2
=t0
+2Δt

9. Modelos de difusão e reação
● Pelo princípio de conservação de massa:
● Aqui levamos em conta fontes e sorvedouros:
– Aporte e remoção da propriedade;
– Mudanças de concentração e reações químicas.

10. Modelos de difusão e reação
● Mudanças de concentração de uma
propriedade reagente:

11. Modelos de difusão e reação
● Mudanças de concentração de uma
propriedade reagente:
Advecção: contabiliza os fluxos de entrada e saída de
massa causados pelas correntes e especifica o movimento
da propriedade em função do movimento da água.

12. Modelos de difusão e reação
● Mudanças de concentração de uma
propriedade reagente:
Dispersão: descreve a difusão da propriedade devido a
processos de mistura turbulenta ou difusão molecular.

13. Modelos de difusão e reação
● Mudanças de concentração de uma
propriedade reagente:
Sedimentação: representa processos de sedimentação de
partículas e ressuspensão a partir do leito.

14. Modelos de difusão e reação
● Mudanças de concentração de uma
propriedade reagente:
Reatividade: refere a processos químicos e/ou biológicos
que ocorrem dentro da coluna de água.

15. Modelos de difusão e reação
● Mudanças de concentração de uma
propriedade reagente:
Carga: indica fontes pontuais e não-pontuais como
deposições atmosféricas, despejos industriais, ou
escoamentos de bacias hidrográficas, por exemplo.

16. Algumas considerações
● A propriedade estudada é considerada passiva,
ou seja, não altera as propriedades
hidrodinâmicas;
● Processos dominantes:
– Advecção;
– Difusão.

17. Processos de qualidade da água
● Biomassa:
– Fitoplâncton
● Crescimento, respiração, excreção, mortalidade não-
predatória, herbivoria, sedimentação.
– Zooplâncton
● Crescimento, respiração, excreção, mortalidade não-
predatória, predação.

18. Processos de qualidade da água
● Ciclo do nitrogênio:
– Nitrogênio orgânico total
● Amonificação, sedimentação, detritos da herbivoria,
excreção de fitoplâncton, excreção de zooplâncton,
mortalidade não-predatória de fitoplâncton, mortalidade
não-predatória de zooplâncton.
– Amônia
● Amonificação, nitrificação, respiração de fitoplâncton,
respiração de zooplâncton, crescimento de fitoplâncton.
– Nitrato
● Nitrificação, desnitrificação, consumo para crescimento
de fitoplâncton.

19. Processos de qualidade da água
● Ciclo do fósforo:
– Fósforo inorgânico (fosfato não-reativo)
● Mineralização, sedimentação, excreção de fitoplâncton,
excreção de zooplâncton, mortalidade não-predatória de
fitoplâncton, mortalidade não-predatória de zooplâncton,
detritos da herbivoria.
– Fósforo orgânico (fosfato reativo)
● Mineralização, precipitação, respiração de fitoplâncton,
respiração de zooplâncton, mortalidade não-predatória
de fitoplâncton, mortalidade não-predatória de
zooplâncton, crescimento de fitoplâncton.

20. Processos de qualidade da água
● Oxigênio
– Oxigênio dissolvido (OD)
● Reaeração, decomposição, nitrificação, fotossíntese,
respiração de fitoplâncton, respiração de zooplâncton,
demanda de oxigênio no sedimento.
– Demanda bioquímica de oxigênio (DBO)
● Decomposição, sedimentação, desnitrificação, fonte
através de detritos da herbivoria, da mortalidade não-
predatória de fitoplâncton e da mortalidade não-
predatória de zooplâncton.

21. Atenção
● Os processos são modelados utilizando
reações com coeficientes calculados
– em laboratório ou;
– através de experimentos de campo.
● Grandes incertezas nos processos de
transformação.
● Por isso é preciso de uma boa calibração do
modelo!

22. Passo-a-passo:
modelagem da qualidade da água
● Identificação dos processos de qualidade da
água
● Identificação das forçantes
● Condições de contorno
● Execução do modelo de qualidade da água

23. Perguntas ?