QUALITOOL 2.0: Aplicativo WEB para modelagem da qualidade de água em ambiente lótico | QUALITOOL 2.0: WEB application for modeling water quality in lotic environments

This paper presents the development of QUALITOOL 2.0, a web application for simulating water quality in lotic environments, contributing to river basin management. The application models key parameters such as dissolved oxygen, biochemical oxygen demand, nitrogen and phosphorus (including their fractions), as well as coliforms, based on well-established mathematical equations in the literature. These equations account for the advective transport of pollutants and the kinetic decay of water quality parameters. The application supports both georeferenced and non-georeferenced topological data inputs, including point and diffuse pollution sources, as well as point withdrawals. Additionally, it allows for the incorporation of time series data, enhancing result management. In the hydrodynamic modeling process, for rectangular or trapezoidal cross-sections of the watercourse, the Manning equation and the continuity equation are employed to estimate the average water depth and flow velocity for each discretized segment of the watercourse. Users have flexibility in defining the longitudinal discretization scale of the watercourse, which is utilized in the numerical solution of the differential equations governing pollutant transport and biochemical reactions, solved using the finite difference method. The application also features integrated sensitivity analysis and kinetic coefficient calibration through the Particle Swarm Optimization algorithm, an evolutionary approach that refines its estimates iteratively. Modeling results can be visualized through dynamic graphs, spreadsheets, and geospatial representations when georeferenced data is available. A comparative analysis with two other computational tools – the initial version of QUALITOOL and the QUAL-UFMG tool – validated the QUALITOOL 2.0 application. Its main advantage lies in its high computational processing speed, achieved through the implementation of parallel and object-oriented programming methodologies. It is expected that QUALITOOL 2.0 will serve as a decision support system for assessing environmental impacts in lotic aquatic ecosystems.

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais

Dissertação (Mestrado)

Este trabalho apresenta o desenvolvimento do QUALITOOL 2.0, um aplicativo web para simulações da qualidade de água em ambientes lóticos, contribuindo para o gerenciamento de bacias hidrográficas. O aplicativo modela parâmetros como oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, nitrogênio e fósforo (e suas frações), além de coliformes, com base em equações matemáticas consagradas na literatura que consideram os termos advectivos de transporte da massa poluente e os termos cinéticos de decaimento dos parâmetros de qualidade da água. O aplicativo aceita entradas de dados topológicos georreferenciados ou não, incluindo as contribuições pontuais ou difusas e retiradas pontuais, além de permitir a entrada de séries temporais para melhor gestão dos resultados. Na modelagem hidrodinâmica, para o formato retangular ou trapezoidal da seção transversal do curso de água, a equação de Manning e a equação da continuidade permitem estimar a profundidade líquida média e a velocidade média do escoamento para cada trecho discretizado de curso de água. O usuário tem a liberdade na escolha da amplitude de discretização longitudinal do curso de água, cuja atividade é utilizada na resolução numérica, por diferenças finitas, das equações diferenciais que representam o transporte e reações bioquímicas da massa poluente dentro do curso de água. O aplicativo possui análise integrada de sensibilidade e calibração dos coeficientes cinéticos por meio de algoritmo de otimização por enxame de partículas (Particle Swarm Optimization), um algoritmo evolucionário que aprimora suas estimativas ao longo das iterações. Os resultados das modelagens podem ser obtidos por meio de gráficos dinâmicos, planilhas e visualizações geoespaciais caso haja o georreferenciamento dos dados. A comparação com outras duas ferramentas computacionais, tais como a versão inicial do QUALITOOL e a ferramenta QUAL-UFMG, permitiu validar o aplicativo QUALITOOL 2.0, cuja principal vantagem está relacionada à velocidade de processamento computacional, justificado pela implementação de metodologias de programação paralela e orientada a objetos. Espera-se que o QUALITOOL 2.0 seja um sistema de suporte à decisão na avaliação de impactos ambientais em ecossistemas aquáticos lóticos.