QUAL2K e QUAL2Kw no Brasil: quando usar um modelo de qualidade da água em outorga, enquadramento e licenciamento

Uma ressalva antes de tudo: nenhuma norma federal ou estadual que consultamos nomeia um modelo de qualidade da água como obrigatório. O que as normas pedem são estudos: de autodepuração, de capacidade de suporte, de simulação para enquadramento. Cabe ao responsável técnico escolher uma ferramenta que responda à pergunta e justificar a escolha. Este artigo ajuda nessa decisão.

Onde as normas pedem um estudo que é, na prática, um modelo

• Elevar o limite de DBO no rio. A CONAMA 357/2005 permite elevar os limites de DBO das classes 2 e 3 se o estudo de capacidade de autodepuração demonstrar que o OD mínimo será respeitado na vazão de referência, fora da zona de mistura (art. 10, § 1º).
• Flexibilizar o padrão de lançamento. A CONAMA 430/2011 aceita reduzir a remoção mínima de 60% de DBO (art. 16, I, g) ou ultrapassar os 120 mg/L de DBO de esgoto sanitário (art. 21, I, d) mediante estudo de autodepuração que comprove o atendimento às metas do enquadramento.
• Capacidade de suporte no licenciamento. O órgão ambiental pode exigir esse estudo, que deve considerar no mínimo a diferença entre os padrões da classe e as concentrações existentes a montante, estimando a concentração após a zona de mistura (CONAMA 430, art. 7º, §§ 1º e 2º).
• Enquadramento. O prognóstico da proposta de enquadramento deve trazer projeções consubstanciadas em estudos de simulação de cargas poluidoras e de condições de quantidade e qualidade (Resolução CNRH 91/2008, art. 5º).
• Reservatórios federais. Na outorga de aquicultura em tanques-rede, a capacidade de suporte de fósforo total é calculada com modelos de qualidade da água concentrados ou hidrodinâmicos (Resolução ANA 236/2024, art. 25, § 2º).
• Licenciamento de esgoto em Santa Catarina. A Instrução Normativa 05 do IMA pede, no estudo ambiental, modelagem de autodepuração na Q7,10 para pelo menos DBO, nitrogênio e fósforo, com o modelo calibrado com dados medidos em campo (no mínimo 2 pontos a montante e 3 a jusante no EAS, 4 a jusante no RAP), fontes pontuais e difusas ao longo do trecho e dados hidráulicos medidos em campo.

Quando uma calculadora basta

Muita coisa se resolve sem modelo de trecho. A vazão de diluição da Resolução CNRH 140/2012 é um balanço de massa no ponto de lançamento, e a verificação de uma amostra contra a CONAMA 357 é uma comparação de tabela. Para uma primeira leitura de autodepuração de um único lançamento num trecho homogêneo, o Streeter-Phelps clássico dá a ordem de grandeza do OD mínimo e da distância crítica. As três coisas estão nas calculadoras do site: vazão de diluição, enquadramento CONAMA 357 e Streeter-Phelps.

QUAL2K e QUAL2Kw: o que são

O QUAL2K é um modelo unidimensional de qualidade da água para rios, com hidráulica em regime permanente, escoamento permanente não uniforme e balanço de calor e cinética de qualidade da água com ciclo diário. Ele é mantido por uma equipe que inclui Steven Chapra e Greg Pelletier, no site qual2k.com. O QUAL2Kw é a versão que o Departamento de Ecologia do Estado de Washington disponibiliza para uso público. Na versão 5, ele trabalha com vazão permanente e condições de contorno que se repetem a cada dia; simula fitoplâncton e algas de fundo, diagênese do sedimento e metabolismo na zona hiporreica; e inclui um algoritmo genético para calibrar automaticamente as taxas cinéticas (Pelletier, Chapra e Tao, 2006). A versão 6 acrescenta vazão não permanente.

Um detalhe para quem vem de outros modelos: o QUAL2K e o QUAL2Kw representam o nitrogênio como N orgânico, amônio e nitrato, com o nitrito somado ao nitrato. A documentação do QUAL2Kw relaciona a variável de nitrato do modelo a NO2 + NO3 medidos.

Comparação honesta com o QUAL-UFMG

No Brasil, o modelo de trecho mais conhecido é o QUAL-UFMG, criado por Marcos von Sperling como uma adaptação do QUAL2E em Excel e apresentado no livro Estudos e modelagem da qualidade da água de rios (2007). Segundo a descrição reproduzida por Tonon (2014), ele simula DBO, OD, nitrogênio (orgânico, amoniacal, nitrito e nitrato), fósforo (orgânico e inorgânico) e coliformes termotolerantes ou E. coli, e simplifica o QUAL2E em três pontos: integração numérica pelo método de Euler, sem dispersão longitudinal e sem modelagem de algas.

A leitura justa é que os dois têm lugar. O QUAL-UFMG é ótimo para ensino e para estudos de DBO, OD, nutrientes e coliformes em rios em que algas e o ciclo diário não pesam. O QUAL2Kw passa a fazer diferença quando o rio é eutrofizado, quando o OD varia muito entre o dia e a noite, quando pH e amônia não ionizada importam, ou quando a calibração envolve muitos parâmetros e pontos de medição, como no caso da IN 05 catarinense.

Limites que valem para os dois

• Mistura. Ambos são unidimensionais e supõem mistura completa na seção. A zona de mistura perto do lançamento, que a CONAMA 430 define como região estimada com base em modelos teóricos aceitos pelo órgão ambiental (art. 4º, XIV), precisa de outra ferramenta.
• Marés e estratificação. Trechos com influência de maré, que a IN 05 do IMA pede para verificar, e reservatórios estratificados estão fora do escopo de um modelo de rio em regime permanente. O próprio site do QUAL2K indica outro modelo, o LAKE2K, para lagos estratificados.
• Unidades. As normas expressam N e P em mg/L; o QUAL2K e o QUAL2Kw usam µg/L.

Como o hydrolitica entra nessa história

O motor de previsão do hydrolitica executa a formulação do QUAL2Kw e é usado pelo navegador, sem Excel nem macros. Você pode importar uma planilha QUAL2Kw existente ou montar o modelo pelo assistente, e calibrar manualmente ou com a calibração automática por um algoritmo evolutivo (evolução diferencial), da mesma família do algoritmo genético do QUAL2Kw. A escolha do modelo, a justificativa técnica e a responsabilidade pelo estudo continuam sendo do responsável técnico; a ferramenta não substitui essa análise nem tem aprovação de nenhum órgão.

Os planos e o que cada um inclui estão na página de preços.

Fontes consultadas

• Resoluções CONAMA 357/2005 (art. 10) e 430/2011 (arts. 4º, 7º, 16 e 21).
• Resolução CNRH nº 91/2008, art. 5º; Resolução ANA nº 236/2024, art. 25.
• IMA (SC), Instrução Normativa nº 05, Anexo 3, item 5.1, e Anexo 4, item 3.1.
• qual2k.com e Washington State Department of Ecology, página de modelos (QUAL2Kw).
• Pelletier, G. J.; Chapra, S. C.; Tao, H. (2006). QUAL2Kw: a framework for modeling water quality in streams and rivers using a genetic algorithm for calibration. Environmental Modelling & Software, 21, 419-425.
• Documentação teórica do QUAL2Kw versão 5 (Pelletier e Chapra), seção sobre a relação entre variáveis do modelo e dados.
• Tonon, K. (2014). Dissertação de mestrado, UNIFAL-MG, seção 3.3.2 (Modelo QUAL-UFMG); von Sperling, M. (2007), Estudos e modelagem da qualidade da água de rios, DESA/UFMG.