Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 2: Itabira PPG - Programas de Pós-Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Modelagem matemática e análise estatística multivariada aplicadas à avaliação da qualidade da água da sub-bacia hidrográfica do alto Paraopeba
Título(s) alternativo(s): Mathematical modeling and multivariate statistical analysis applied to the evaluation of the water quality of the upper Paraopeba sub-basin
Autor(es): CARNEIRO, Grazielle Cristina Assis
Primeiro Orientador: COUTO, Eduardo de Aguiar do
Segundo Orientador: GONÇALVES, José Augusto Costa
metadata.dc.contributor.referee1: PASSOS, Ricardo Gomes
Resumo: O lançamento de efluentes urbanos e industriais sem o tratamento adequado nas águas, e ainda o carreamento de sedimentos, principalmente provenientes de áreas de agricultura, têm alterado a disponibilidade de água em qualidade e quantidade. Diante disso, torna-se necessário monitorar, avaliar e diagnosticar a qualidade da água, identificando as fontes de poluição e buscando se antecipar os possíveis impactos que possam ocorrer, e assim fornecer subsídios para a efetiva gestão dos recursos hídricos. Nesse contexto, a modelagem matemática de qualidade da água e a análise estatística multivariada se apresentam como ferramentas que podem contribuir para a avaliação da qualidade da água. A primeira possibilita simular o cenário atual e futuro de corpos hídricos de acordo com o comportamento das variáveis simuladas. Já a análise estatística pode auxiliar na compreensão da correlação dos dados e a dinâmica das variáveis de qualidade da água. O trabalho teve como objetivo principal avaliar a qualidade da água da sub-bacia do alto Paraopeba, a fim de dar suporte à gestão dos recursos hídricos. Para a modelagem matemática foram modelados os parâmetros oxigênio dissolvido (OD), demanda bioquímica de oxigênio (DBO), variações de nitrogênio (orgânico, amoniacal, nitrito e nitrato), variações do fósforo (orgânico, inorgânico e total) e Escherichia coli utilizando o modelo QUAL-UFMG. Foram simulados dois cenários de intervenção na bacia, considerando a redução da carga poluente lançada com a implantação de estações de tratamento de esgoto (ETEs) nos municípios da sub-bacia com o horizonte para o ano de 2035. Para a análise estatística multivariada foram utilizadas as técnicas de componentes principais e de cluster aplicadas à dezenove variáveis em oito pontos de monitoramento de qualidade da água distribuídos pela bacia. Na modelagem matemática, houve menor aderência do modelo na simulação do rio Maranhão. No cenário atual, as variáveis apresentaram maiores valores para o índice RMEQ (Raiz Média do Erro ao Quadrado) que apresenta a semelhança entre os dados observados e os dados modelados e quanto menor esse valor, mais semelhantes são os dados modelados e observado. O RMEQ foi de 1,42 e 1,51 para DBO e OD respectivamente, e os trechos modelados se mantiveram dentro dos padrões de lançamento da CONAMA 357/2005 em 21% para a DBO e 39,8% para OD. Na simulação de cenário do rio Maranhão, houve uma melhora em relação à DBO, que passou a atender os limites preconizados em 39% do trecho. Para o rio Paraopeba, o índice RMEQ apresentou resultados com menores valores, sendo o maior para o OD, com 0,70. As variáveis P total e E. coli apresentaram as menores porcentagens de atendimento à legislação, com 44,5% e 19,8% do trecho modelado, respectivamente. Na simulação dos cenários futuros, houve uma melhora nesse resultado com 73,6% para P total e 24,9% para a E. coli. A análise de componentes principais apresentou cinco componentes que explicaram juntas 78,46% da variação dos dados. Já a análise de cluster agrupou as oito estações de monitoramento analisadas em três grupos com semelhanças entre os pontos, sendo o terceiro grupo formado pelas duas estações localizadas na sub-bacia do rio Maranhão o que apresentou maiores dissimilaridades com os demais.
Abstract: The discharge of urban and industrial effluents into the waters without adequate treatment, as well as the transport of sediments, mainly from agricultural areas, have altered the availability of water in quality and quantity. Therefore, it is necessary to monitor, evaluate, and diagnose the quality of water, identifying sources of pollution and trying to anticipate possible impacts that may occur, and thus provide subsidies for the effective management of water resources. In this context, mathematical modeling of water quality and multivariate statistical analysis are tools that can contribute to the evaluation of water quality. The former makes it possible to simulate the current and future scenarios of water bodies according to the behavior of the simulated variables. Statistical analysis can help in understanding the correlation of data and the dynamics of water quality variables. The main objective of this work was to evaluate the water quality of the upper Paraopeba sub-basin to support the management of water resources. For the mathematical modeling the parameters dissolved oxygen (DO), biochemical oxygen demand (BOD), nitrogen variations (organic, ammoniacal, nitrite and nitrate), phosphorus variations (organic, inorganic and total) and Escherichia coli were modeled using the QUAL-UFMG model. Two scenarios of intervention in the basin were simulated, considering the reduction of the pollutant load discharged with the implementation of sewage treatment plants (STPs) in the municipalities of the sub-basin with a horizon for the year 2035. For the multivariate statistical analysis the principal components and cluster techniques were used applied to nineteen variables in eight water quality monitoring points distributed throughout the basin. In the mathematical modeling, there was less adherence of the model in the simulation of the Maranhão River. In the current scenario, the variables presented higher values for the RMEQ index (Root Mean Square Error), which presents the similarity between observed and modeled data, and the lower this value, the more similar are the modeled and observed data. The RMEQ was 1.42 and 1.51 for BOD and DO respectively, and the modeled stretches remained within the release standards of CONAMA 357/2005 by 21% for BOD and 39.8% for DO. In the scenario simulation for the Maranhão River, there was an improvement in relation to BOD, which started to meet the recommended limits in 39% of the stretch. For the Paraopeba River, the RMEQ index showed results with lower values, the highest for BOD, with 0.70. The variables total P and E. coli were not considered in the simulation. The variables total P and E. coli presented the lowest percentages of compliance with the legislation, with 44.5% and 19.8% of the modeled stretch, respectively. In the simulation of future scenarios, there was an improvement in this result with 73.6% for total P and 24.9% for E. coli. The principal components analysis showed five components that together explained 78.46% of the variation in the data. The cluster analysis grouped the eight monitoring stations analyzed into three groups with similarities between the points, and the third group formed by the two stations located in the sub-basin of the Maranhão River showed the greatest dissimilarity with the others.
Palavras-chave: QUAL-UFMG
análise de componentes principais
análise de cluster
principal component analysis
cluster analysis
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::RECURSOS HIDRICOS
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: PPG - Programas de Pós Graduação - Itabira
metadata.dc.publisher.program: PPG - Programas de Pós Graduação - Itabira
Citação: CARNEIRO, Grazielle Cristina Assis. Modelagem matemática e análise estatística multivariada aplicadas à avaliação da qualidade da água da sub-bacia hidrográfica do alto Paraopeba. 2021. 116 f. Dissertação (Mestrado Profissional em Rede Nacional em Gestão e Regulação de Recursos Hídricos – PROFÁGUA) Instituto de Ciências Puras e Aplicadas, Universidade Federal de Itajubá, Campus de Itabira, Minas Gerais, 2021.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3186
Data do documento: 17-Dez-2021
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