Uso de uma abordagem estocástica para a avaliação do risco à saúde humana devido à ingestão de água subterrânea contaminada

Este trabalho investiga o uso e a adequação de uma abordagem estocástica para o processo de avaliação de risco à saúde humana devido à ingestão de água subterrânea contaminada. A referida abordagem estocástica se caracteriza pela representação da variabilidade espacial e das incertezas associadas à condutividade hidráulica do meio poroso. A metodologia proposta é ilustrada através de um estudo de caso. Em função da metodologia utilizada, a avaliação de risco fornece, como resultado, uma informação adicional ao tomador de decisão, uma vez que são estimados o risco e a sua chance de ocorrência. Deste modo, o conceito de risco passa a ter uma conotação mais abrangente, já que o mesmo é expresso por duas dimensões: a conseqüência e a sua probabilidade associada. A execução deste trabalho exigiu o estudo e o desenvolvimento dos seguintes tópicos: - Geração de campos aleatórios bidimensionais de condutividade hidráulica, usando o método de Simulação Gaussiana Seqüencial (SGS). - Implementação computacional de um modelo numérico de fluxo permanente unidimensional em meio poroso não saturado. - Implementação computacional de um modelo numérico de transporte de contaminantes unidimensional em meio poroso não saturado sob regime de fluxo permanente. - Implementação computacional de um modelo numérico de fluxo permanente tridimensional em meio poroso saturado. - Implementação computacional de um modelo numérico de transporte de contaminantes tridimensional em meio poroso saturado sob regime de fluxo permanente. O modelo numérico de fluxo permanente unidimensional em meio poroso não saturado foi baseado no conceito de continuidade e no uso da equação de Darcy para meios porosos, particularizados para o caso de regime permanente. O principal objetivo do desenvolvimento do referido modelo foi a obtenção de curvas de saturação e de carga hidráulica para utilização no modelo de transporte de contaminantes unidimensional em meio poroso não saturado. O modelo numérico de transporte de contaminantes unidimensional em meio poroso não saturado foi baseado na equação clássica de advecção-difusão utilizada para descrever o transporte de contaminantes em meio poroso não saturado, particularizada para as hipóteses de regime permanente, substância não reativa, equilíbrio local e relação linear entre as concentrações na fase sólida e na fase aquosa. O modelo numérico de fluxo permanente tridimensional em meio poroso saturado foi também baseado no conceito de continuidade e no uso da equação de Darcy para meios porosos, particularizados para o caso de regime permanente. Do ponto de vista de implementação computacional, o modelo foi desenvolvido tendo como inspiração a versão original do modelo MODFLOW. O principal objetivo do desenvolvimento do referido modelo foi a obtenção dos campos de velocidades para utilização no modelo de transporte de contaminantes tridimensional em meio poroso saturado. O modelo numérico de transporte de contaminantes tridimensional em meio poroso saturado foi baseado na equação clássica de advecção-dispersão usada para descrever o transporte de contaminantes em meio poroso saturado, particularizada para as hipóteses de regime permanente, substância não reativa, equilíbrio local e relação linear entre as concentrações na fase sólida e na fase aquosa. O modelo computacional adota o método das características modificado (MMOC) para a solução da equação de transporte. Os resultados obtidos pelos modelos computacionais desenvolvidos foram comparados a soluções analíticas e a soluções fornecidas por outros modelos disponíveis no mercado e o desempenho foi considerado satisfatório. O objetivo principal do desenvolvimento dos modelos foi o de se ter acesso e controle do código-fonte para criar versões que permitissem múltiplas execuções com diferentes campos de condutividade hidráulica. O estudo de caso analisado neste trabalho se caracteriza pela existência de uma lagoa, utilizada no passado como destinação final de efluentes líquidos provenientes de uma indústria. O uso da lagoa como área de descarte dos efluentes implicou em sedimentação de finos e resíduos do processo produtivo no fundo da lagoa, gerando uma fonte de contaminação da água subterrânea. Do ponto de vista da avaliação de risco, quando considerada a água subterrânea como caminho de exposição, foram estabelecidos dois cenários: cenário 01 (estação chuvosa) e cenário 02 (estação seca). No caso do cenário 01 (estação chuvosa), a contaminação da água subterrânea se dá através da contribuição da lagoa para o aqüífero em razão da diferença de carga hidráulica entre os dois. No caso do cenário 02 (estação seca), continua existindo a contribuição da lagoa para aqüífero, mas em uma área menor, em função da retração da lagoa na estação seca. A área correspondente ao solo exposto com a retração da lagoa continua contribuindo como fonte de contaminação, mas agora devido à recarga do aqüífero. Os resultados da avaliação de risco mostraram uma probabilidade de excedência do limite para o risco de 1 x 10-6 (um caso adicional de câncer em uma população de um milhão de pessoas) de 4,9 %, para o cenário 01, e de 17,4 %, para o cenário 02, considerando-se o receptor mais afetado. Estes resultados constituem o ponto central do desenvolvimento da presente tese, já que conferem uma dimensão a mais ao risco estimado. Portanto, verificou-se que o cenário 02 representou uma condição mais crítica do que o cenário 01. Foram comparadas duas abordagens estocásticas distintas em termos de representação da variabilidade espacial da condutividade hidráulica, considerando-se a estação chuvosa (Cenário 01). A primeira abordagem considera o meio heterogêneo e a segunda abordagem considera o meio homogêneo. Os resultados obtidos mostraram que a consideração de meio homogêneo resultou em uma subestimativa do risco em comparação à condição de meio heterogêneo. Em comparação a outros estudos já realizados relativos à questão da integração do conceito de análise de incerteza na propagação do contaminante com a avaliação do risco à saúde humana, este estudo apresenta algumas importantes diferenças, destacando-se principalmente: a natureza do estudo de caso; a análise do fluxo e transporte no meio não saturado; a geração de simulações condicionadas dos campos aleatórios de condutividade hidráulica; e a comparação direta entre duas abordagens estocásticas distintas quanto à variabilidade espacial da condutividade hidráulica.

This work investigates the use and adequacy of a stochastic approach to the process of human health risk assessment due to ingestion of contaminated groundwater. Such approach is characterized by the representation of spatial variability and uncertainty related to the hydraulic conductivity of the porous medium. The proposed methodology is illustrated with the presentation of a real case study. As a consequence of the proposed methodology, the risk assessment provides additional information to the decision-makers, once it estimates not only the risk but also its chance of occurrence. Thus, the concept of risk is represented by a broader meaning, as it is expressed by two dimensions: the consequence and its related probability. The present work required the study and development of the following: - Simulation of two-dimensional random hydraulic conductivity fields, using the Sequential Gaussian Simulation Method (SMS). - Computational implementation of a 1-dimensional steady-state unsaturated flow numerical model. - Computational implementation of a 1-dimensional contaminant transport numerical model for the vadose zone, assuming steady-state flow. - Computational implementation of a 3-dimensional steady-state saturated flow numerical model - Computational implementation of a 3-dimensional contaminant transport numerical model for the saturated zone, assuming steady-state flow. The 1-dimensional unsaturated flow model was based on the mass conservation and Darcy's equation for porous media, simplified by the steady-state flow hypothesis. The model was mainly developed to obtain saturation curves and hydraulic heads to be used as input to the contaminant transport model for the vadose zone. The 1-dimensional contaminant transport model for the vadose zone was based on the classical advection-diffusion equation, used to describe the contaminant transport in unsaturated porous media, assuming the hypotheses of steady-state flow, non-reactive substance, local equilibrium, and linear relationship between the concentrations in solid and aqueous phases. The 3-dimensional saturated flow model was also based on the mass conservation and Darcy's equation for porous media, simplified by the steady-state flow hypothesis. From the viewpoint of computational implementation, the model was developed taking as inspiration the MODFLOW original version. The model was mainly developed to obtain the velocity fields to be used as input to the contaminant transport model for the saturated zone. The 3-dimensional contaminant transport model for the saturated zone was based on the classical advection-dispersion equation, used to describe contaminant transport in saturated porous media, assuming the hypotheses of steady-state flow, non-reactive substance, local equilibrium, and linear relationship between the concentrations in solid and aqueous phases. The computational model adopts the modified method of characteristics (MMOC) to solve the transport equation. The results from the developed computational models were compared to analytical solutions and to solutions provided by other models that are free available in the market. The overall performance of the developed models was considered satisfactory. The main goal of developing the computational models was to get access and control of the source code to create versions that allow multiple runs with different hydraulic conductivity fields. The case study is characterized by the existence of a pond, used in the past as a final destination to an industrial effluent. Such use resulted in sedimentation of fine particles and production process wastes at the bottom of the pond, originating a source of groundwater contamination. To perform the human health risk assessment, when considering only groundwater as a exposure pathway, two scenarios were established: scenario 01 (rainy season) and scenario 02 (dry season). In the scenario 01 (rainy season) case, the groundwater contamination is due to the pond contribution to the aquifer, as a result of hydraulic head difference between them. On the other hand, in the scenario 02 (dry season) case, there is still the pond contribution to the aquifer, but in a smaller area, according to the shrinkage of the pond during the dry season. The resulting area of exposed contaminated soil continues contributing as a source of groundwater contamination, but now due to the natural aquifer recharge.In relation to a 1 x 10-6 (one additional case of cancer in a population of one million people) risk limit, the risk assessment showed an exceedance of 4.9 % for the scenario 01, and 17.4 % for the scenario 02, considering the most affected receptor. These results represent the main goal of the present work, since they bring an additional dimension to the estimated risk. Furthermore, the results showed that the scenario 02 (dry season) is more critical than the scenario 01 (rainy season), considering again the most affected receptor. Two different stochastic approaches in terms of representation of spatial variability of the hydraulic conductivity were compared, considering the rainy season (Scenario 01). The first approach assumes a heterogeneous porous medium, and the second one supposes a homogeneous porous medium. The results showed that the homogeneous porous medium approach led to a underestimation of the risks compared to the heterogeneous one. Compared to previous studies that relates the uncertainty analysis of the contaminant migration to the human health risk assessment, this study presents some important differences, especially the following: the nature of the real case study; the analysis of flow and transport in the unsaturated zone; the generation of conditionated simulations of hydraulic conductivity random fields; and direct comparison between two different stochastic approaches to the representation of spatial variability of the hydraulic conductivity.