Índice fuzzy de qualidade de água para ambiente lótico - IQAFAL / IQA FAL - Fuzzy water quality index for lotic environments

RESUMO A divulgação de informações sobre qualidade das águas para um público não especialista é fundamental para subsidiar ações políticas e institucionais de gestão dos ambientes aquáticos. Para tanto, índices de qualidade de água têm sido propostos por serem capazes de sintetizar em um único valor ou categoria a informação, normalmente descrita a partir de um conjunto extenso de variáveis de qualidade de água. Este trabalho propõe um novo índice de qualidade de água, IQAFAL, baseado em lógica nebulosa, direcionado para o ambiente lótico, desenvolvido com a colaboração do quadro de especialistas da área de qualidade de água do Instituto Estadual do Ambiente (INEA). O índice proposto foi aplicado a dados de qualidade de água do Rio Paraíba do Sul, obtidos pelo INEA, nos anos de 2002 a 2009. Os resultados do IQAFAL mostraram que esse índice foi capaz de descrever a qualidade da água desse trecho do Rio Paraíba do Sul, correspondendo satisfatoriamente às avaliações de qualidade de água contidas nos relatórios disponíveis. Verificou-se também que com essa metodologia foi possível evitar que a influência de uma variável em condições críticas fosse atenuada pela influência das outras variáveis em condições favoráveis, produzindo um resultado impreciso no índice final.

ABSTRACT The dissemination of information on water quality for a non-specialist audience is essential to support political and institutional actions for the management of aquatic environments. Therefore, water quality indices have been proposed since they are able to synthesize into a single value or category information, usually described from an extensive set of water quality variables. This research proposes a new water quality index, based on fuzzy logic, aimed at lotic environments, developed through the collaboration of experts in water quality of the Rio de Janeiro Environmental Agency (Instituto Estadual do Ambiente - INEA). The proposed index was applied to water quality data from the Paraíba do Sul River, obtained by INEA, in the years 2002 to 2009. The results of IQAFAL showed that the index was able to synthesize the water quality of this stretch of the Paraíba do Sul, satisfactorily matching the assessments of the water quality assessments contained in the reports available. It was also noticed that with this methodology it was possible to avoid the attenuation of the influence of a variable in critical condition was attenuated by the influence of other variables in favorable conditions, producing an inaccurate result in the final index.

Índice de qualidade de água modificado pela análise multivariada: estudo de caso do Arroio Pelotas, RS, Brasil / Water quality index modified by using multivariate analysis: a case study of Pelotas Stream, RS, Brazil

RESUMO O objetivo deste estudo foi desenvolver um índice de qualidade de água modificado (IQAMod), por meio de análises multivariadas, e comparar com o índice utilizado pela Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (Cetesb) (IQACETESB), para ser aplicado no Arroio Pelotas, Rio Grande do Sul, Brasil. Foram usados dados secundários de qualidade da água superficial do Arroio Pelotas, para o sítio de amostragem GER 48, localizado no município de Pelotas, monitorados e disponibilizados pela Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luís Roessler (FEPAM), no período entre 1997 e 2013. Entre as análises multivariadas, empregou-se a análise fatorial (AF)/análise de componentes principais (ACP). Os resultados indicaram que a ACP extraiu duas componentes principais que explicaram 100% da variância total dos dados na matriz de correlação, enquanto os escores fatoriais para o cálculo do IQAMod foram extraídos do primeiro fator, que explicou 70,6% da variância total. Concluímos que o IQAMod mostrou demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), turbidez (TH) e sólidos totais (ST) como as variáveis de mais importância na construção do índice, diferindo do IQACETESB, que apresentou as variáveis oxigênio dissolvido (OD), coliformes termotolerantes (CT) e potencial hidrogeniônico (pH) como as de mais relevância, demonstrando assim a necessidade da calibração do IQACETESB para aplicação nesse ecossistema específico.

ABSTRACT This research aimed at developing a modified water quality index (WQIMod) by using multivariate analysis, from a comparison with the WQI used by the Environmental Company of São Paulo (Companhia Ambiental do Estado de São Paulo-Cetesb) (IQACETESB), to be applied in the Pelotas Stream, RS, Brazil. Secondary data from Pelotas Stream surface water quality were used, collected in the sampling site GER 48, located in the municipality of Pelotas, where they were monitored and provided by the State Foundation of Environmental Protection Henrique Luís Roessler (Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luís Roessler-FEPAM) between 1997 and 2013. Among the multivariate analyses, the factor analysis/principal component analysis (PCA) was used. The results indicated that the PCA extracted two principal components, which explained 100% of the total data variance in the correlation matrix, while the factorial scores for WQIMod calculation were extracted from the first factor, which explained 70.6% of the total data variance. We concluded that the WQIMod exhibits biochemical oxygen demand (BOD5), turbidity (TH) and total solids (TS) as the most important variables for the index construction, differing from the WQICETESB, which shows the variables dissolved oxygen (DO), thermotolerant coliforms (TC) and hydrogenionic potential (pH) as the most relevant ones, indicating the need of WQICETESB calibration for applying in this specific ecosystem.

Enquadramento e avaliação do índice de qualidade da água dos igarapés Rabo de Porco e Precuá, localizados na área da Refinaria Premium I, município de Bacabeira (MA) / Ordination and evaluation of the water quality index for the creeks Rabo de Porco and Precuá, located in the Premium I Refinery area, municipality of Bacabeira (MA), Brazil

RESUMO O objetivo deste estudo foi realizar um diagnóstico da qualidade das águas dos igarapés Rabo de Porco e Precuá, localizados na área de implantação da Refinaria Premium I, no município de Bacabeira, Maranhão. Foram avaliadas as características físico-químicas e microbiológicas da água em pontos a montante e a jusante de cada corpo d'água, confrontando os resultados com a Resolução CONAMA nº 357/2005 e com o índice de qualidade da água (IQA). No período de maio a agosto de 2012, foram efetuadas amostragens mensais dos seguintes parâmetros físicos e químicos da água: temperatura, turbidez, pH, sólidos totais (ST), oxigênio dissolvido (OD), demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), nitrogênio total, fósforo total (PT) e coliformes fecais. Os resultados mostraram diferenças significantes dos parâmetros entre os pontos a montante e a jusante apenas para as variáveis ST e turbidez, especialmente no Precuá. A análise dos componentes principais (PCA) revelou uma correlação moderada entre as variáveis. Os resultados obtidos enquadraram as águas da maioria dos pontos amostrados predominantemente na classe 3, seguida da classe 2 da Resolução CONAMA nº 357/2005. O IQA evidenciou ligeiras diferenças espaciais e temporais entre os corpos d'água investigados: o igarapé do Rabo de Porco registrou o melhor IQA, enquanto o pior IQA ocorreu na coleta de maio no ponto amostral Precuá a jusante. As informações levantadas servirão de base para avaliações de mudanças nas características e na qualidade dos corpos d'água estudados no decorrer da implantação e operação do empreendimento.

ABSTRACT The aim of this study was to assess the water quality for the creeks Rabo de Porco and Precuá, located in the area of deployment of the Premium I refinery in the municipality of Bacabeira, Maranhão, Brazil. The physico-chemical and microbiological characteristics of the water at points upstream and downstream of each water body were evaluated, comparing the results with the CONAMA Resolution 357/2005 and the water quality index (WQI). In the period from May to August 2012, monthly samples of the following physical and chemical parameters of water were made: temperature, turbidity, pH, total solids, dissolved oxygen, biochemical oxygen demand, total nitrogen, total phosphorus and fecal coliforms. The results showed significant differences in the parameters between upstream and downstream points, only for the parameters total solids and turbidity, especially for the Precuá creek. The principal component analysis revealed a moderate correlation between the parameters. The data indicated that water from most of the points can be classified in the class 3, followed by the class 2 of the CONAMA Resolution 357/2005. The WQI showed slight spatial and temporal differences between the water bodies investigated: Rabo de Porco creek registered the best WQI, while the worst one occurred in sampling at the downstream Precuá point in May. The information registered will be used as a basis for changes evaluation in characteristics and quality of water bodies studied during the deployment and operation of the enterprise.

Nova abordagem do Índice de Qualidade de Água Bruta utilizando a Lógica Fuzzy / A new approach to the Raw Water Quality Index using the Fuzzy Logic

Na análise de desempenho das estações de tratamento de água, as características do afluente adquirem significativa importância. No Brasil, o Índice de Qualidade das Águas Brutas para Fins de Abastecimento Público (IAP) e o Índice de Qualidade da Água Bruta (IQAB), desenvolvidos segundo modelos determinísticos, prestam-se a avaliar a tratabilidade das águas naturais. Todavia, o IAP tem baixa aplicabilidade devido ao custo de implantação, e o IQAB ainda necessita de ajustes com relação aos parâmetros de entrada e critérios de pontuação. Na busca por modelo não determinístico, capaz de lidar com as incertezas, a não linearidade dos parâmetros e o conhecimento de especialistas, foi utilizada a Lógica Fuzzy em nova abordagem para o IQAB. Aplicado em seis mananciais da Região Sudeste, o Índice de Qualidade de Água Bruta Fuzzy (IQABF) apresentou-se mais restritivo, mais consistente para quantificação dos parâmetros e mais flexível para ajustes futuros, apesar de manter praticamente a mesma hierarquização entre os mananciais avaliados.

For the performance evaluation of water treatment plants, the raw water quality presents significant relevance. In Brazil, the Index of Quality of Raw Water for Public Supply (IAP) and the Index of Quality of Raw Water (IQAB), developed according to deterministic models, can evaluate the treatability of natural waters. However, the IAP presents a high cost for actual implementation and the IQAB needs some adjustments related to the input parameters and grading criteria. Aiming at a non-deterministic model, able to deal with uncertain, nonlinearity of the parameters and expert knowledge, Fuzzy Logic was applied to a new approach of the IQAB. The Fuzzy Raw Water Quality Index (IQABF), in comparison with the original IQAB, presented more restrictive, more consistent and more flexible for future adjustments. Its application for six water sources of Southeast Region showed practically the same hierarchy in terms of the treatability in comparison with the original IQAB.

Proposta de Índice de Qualidade para Água Bruta afluente a estações convencionais de tratamento / Proposal of a Raw Water Quality Index influent to conventional water treatment plants

O presente trabalho tem por objetivo propor um Índice de Qualidade da Água Bruta (IQAB) afluente para estações convencionais de tratamento que permita comparar a tratabilidade dos mananciais superficiais. A metodologia Delphi para a elaboração do IQAB fundamentou-se basicamente na mesma utilizada para o desenvolvimento do Índice de Qualidade de Água, no início da década de 1970, contando com um painel composto inicialmente por 24 especialistas. De acordo com a opinião do painel, o IQAB foi composto por oito parâmetros comumente monitorados em parcela significativa das estações brasileiras. Sua aplicação a cinco mananciais superficiais permite recomendar seu emprego como ferramenta adicional de avaliação da performance das estações de tratamento pelas concessionárias de abastecimento de água do país.

This paper has the objective of proposing a Raw Water Quality Index (RWQI) influent for the conventional water treatment plants that allow the comparison of the treatability of distinct surface water sources. The Delphi methodology was employed similarly to that employed for the development of Water Quality Index, in the beginning of the 1970's, with a panel composed by 24 specialists. According to the panel opinion, the RWQI was composed by eight water quality parameters usually monitored in a significant portion of Brazilian plants. Its application on five surface water sources allows the recommendation of its use as an additional tool for the assessment of the performance of water treatment plants operated by the Brazilian sanitation companies.