Del 1. Kirkevalget 2011: Regler, tiltak, gjennomføring og resultater. Av Ulla Schmidt
5 Valgdeltakelse
5.2 Valgdeltakelse 2011: Hovedtendenser (Av Pål Ketil Botvar)
No estudo e na análise das escorrências urbanas, nomeadamente no que se refere à sua qualidade, é fundamental, para que os sistemas e mecanismos a empregar funcionem conforme o previsto e com a eficiência desejada, fazer uma caracterização prévia da poluição presente.
Neste sentido, é usual utilizar-se polutogramas, que mais não do que representações gráficas da variação da concentração – mais utilizadas no caso de escorrências esporádicas com baixa probabilidade de ocorrência – ou da massa – mais indicadas para o estudo de efeitos cumulativos – de um poluente na escorrência em função do tempo (Ramísio, 2007).
Paralelamente e tendo em conta que as quantidades de poluentes transportados variam, muitas das vezes, em função da intensidade de precipitação, é usual utilizar dois parâmetros responsáveis pela caracterização da variação entre eventos da concentração e massa específica dos constituintes das águas pluviais (Ramísio, 2007).
O primeiro é a Concentração Média do Evento – CME – e diz respeito à concentração média de um dado constituinte, para o evento estudado, ponderado pelo caudal. Extremamente útil na avaliação do impacto das águas pluviais nos meios recetores e na implementação de sistemas de gestão e controlo, este conceito pode ser definido como a razão entre a massa total de um poluente, verificado num determinado local, durante um período de tempo previamente definido, em função do volume total da escorrência:
𝐶𝑀𝐸 = 𝑀 𝑉 = ∫ 𝐶𝑡𝑄𝑡𝜕𝑡 𝑡 0 ∫ 𝑄𝑡𝜕𝑡 𝑡 0 (19) Onde:
𝑀 é a massa total de um determinado constituinte; 𝑉 é o volume total da água pluvial em análise;
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𝐶𝑡 é a função que representa a concentração do poluente ao longo do tempo; 𝑄𝑡 é a função que representa a variação do caudal ao longo do tempo (Costa,
2012).
O segundo é a Massa Específica do Evento – MEE – e diz respeito à massa integral de um dado constituinte, por unidade de área, durante o período de análise. Podendo ser utilizado para o controlo da massa total de poluentes numa determinada bacia hidrográfica, este conceito é definível com base na expressão que se segue:
𝑀𝐸𝐸 =𝑀 𝐴 = ∫ 𝐶𝑡𝑄𝑡𝜕𝑡 𝑡 0 𝐴 (20) Onde:
𝐴 se refere à área da bacia hidrográfica (Costa, 2012).
Para além destes dois métodos, é ainda usual, na caracterização dos agentes poluidores das águas pluviais, o cálculo da Concentração Média Local – CML. Tendo por base o facto de que a poluição varia, muitas das vezes, de local para local, a CML é definida como o valor médio da concentração de um determinado composto, referente a todos os eventos ocorridos num determinado local (Ramísio, 2007).
Outro ponto importante a ter em consideração aquando da avaliação e da caracterização da poluição presente nas águas pluviais prende-se com o chamado Primeiro Fluxo.
Com efeito, as concentrações variam muito em função do tempo, apresentando na maioria das situações valores mais elevados na fase inicial quando comparadas com as posteriores. É a este primeiro período que se dá o nome de Primeiro Fluxo, citado e estudado pelos mais diversos autores, com elevada frequência, nos últimos 20 anos (Bertrand-Krajewsky et al., 1998).
Este fenómeno está relacionado com a ocorrência do pico da concentração do poluente antes do pico do caudal, pelo que pode ser analisado por via de uma análise gráfica através da representação de curvas que relacionam a massa relativa de poluente em função do volume relativo da escorrência em causa.
Globalmente, estas curvas, 𝑀 = 𝑓(𝑉), podem ser aproximadas por via de uma função exponencial:
𝐹(𝑋) = 𝑋𝑏 (21)
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Sendo que b corresponde ao coeficiente de primeiro fluxo e refere-se ao desvio entre a curva 𝑀 = 𝑓(𝑉) e o bissetor (Bertrand-Krajewsky et al., 1998).Este indica que, quanto mais reduzido for o seu valor, mais acentuado será o Primeiro Fluxo, uma vez que, neste caso, a grande parte da massa poluente é transportada no primeiro volume de escorrência.
Figura 31: Exemplo de uma curva 𝑀 = 𝑓(𝑉). (Adaptada de Costa, 2012)
Existem diferentes formas de avaliar a possível ocorrência ou não do fenómeno de Primeiro Fluxo.
Uma delas é com base na relação entre o rácio acumulativo adimensional da massa com o do volume (Lee et al., 2000):
𝑀𝑖 ∑ 𝑀𝑖 𝑉𝑖 ∑ 𝑉𝑖 > 1 → 𝑂𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑖𝑟𝑜 𝐹𝑙𝑢𝑥𝑜 (23) 𝑀𝑖 ∑ 𝑀𝑖 𝑉𝑖 ∑ 𝑉𝑖 ≤ 1 → 𝑁ã𝑜 𝑜𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑖𝑟𝑜 𝐹𝑙𝑢𝑥𝑜 (24)
Outra forma de analisar a ocorrência do Primeiro Fluxo consiste na análise da inclinação da curva inicial 𝑀 = 𝑓(𝑉), pelo que se considera que este fenómeno ocorre sempre que a inclinação é superior a 45º, assumindo especial relevância sempre que a distância máxima entre a curva e o bissetor assume valores superiores a 0,2 (Geiger, 1987).
Por último, é ainda possível fazer uma outra análise que, para além de considerar o desvio e a inclinação da curva 𝑀 = 𝑓(𝑉), tem em conta a posição dessa distância no eixo do rácio acumulativo do volume, sendo válido concluir que ocorre Primeiro Fluxo unicamente quando
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a distância maior que 0,2 se situa nas primeiras posições, correspondendo, assim, à primeira porção de volume de escorrência
Foi também proposto um critério mais específico baseado na premissa de que este fenómeno é significativo sempre que 80% da massa de poluente é transportada nos primeiros 30% do escoamento (Bertrand-Krajewsky et al., 1998).
Mais recentemente, em 2012, foi elaborado, em França, um estudo em que se definiram três zonas simétricas na análise da curva 𝑀 = 𝑓(𝑉). A primeira, denominada por A, diz respeito a eventos que apresentem uma grande porção de massa transportada numa pequena fração de volume, sendo esta a zona referente ao Primeiro Fluxo. A segunda, B, refere-se a eventos com uma porção de massa e de volume semelhantes. Por fim, a terceira zona, C, integra eventos onde a fração de volume de escoamento é muito superior à fração de massa transportada. Os resultados obtidos concluíram que grande parte das curvas, mais de 70%, se localiza na zona C e apenas 7 a 8% dizem respeitos à zona A, significando isto que o Primeiro Fluxo apresenta uma baixa ocorrência (Métadier et al., 2012).
Apesar de nos estudos a sua ocorrência ser apresentada como algo reduzida, a verdade é que os primeiros fluxos têm vindo a ser cada vez mais frequentes. Como resultado de uma crescente urbanização, as primeiras escorrências nos aglomerados urbanos, à medida que percorrem os pavimentos e as diferentes superfícies e solos, acumulam sedimentos e agentes poluidores que contribuem fortemente para a contaminação das águas pluviais.
Os fatores que mais afetam a intensidade do Primeiro Fluxo são a duração do período seco antecedente à chuvada, a duração e a intensidade da chuvada (Ramísio 2007).É também importante considerar as características da bacia, dado que a probabilidade de ocorrência deste fenómeno é tanto maior quanto maior for a área impermeabilizada da zona em análise, uma vez que se verifica uma lixiviação das substâncias acumulados nos pavimentos.
Nestes casos, o Primeiro Fluxo assume maior relevância quando a intensidade de precipitação é mais reduzida, uma vez que os caudais são menores. Pelo contrário, em situações em que a intensidade da chuvada é maior os caudais de escorrência também aumentam, reduzindo o rácio entre a massa de poluentes e o volume do escoamento. Estes cenários foram confirmados por estudos realizados na cidade de Wuhan, na China, que concluíram que, no período inicial, os intervalos entre os picos de concentração de poluentes e os picos de caudal foram menores em chuvadas com maior intensidade. (Li-Qing et al., 2007). Mais, diversos estudos levados acabo ao longo dos últimos anos referem que o Primeiro Fluxo é mais evidente em bacias de dimensão reduzida e com elevadas áreas impermeáveis. A explicação para tal fenómeno reside no facto de que em bacias de maior dimensão o tempo
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que cada poluente demora a alcançar uma determinada secção pode ser distinto, dando, assim, origem a um Primeiro Fluxo menos notório e com menor intensidade (Chiew et al., 1997).
Como se pode ver, é crescente a importância dada a este fenómeno. Prova disso são os diversos estudos realizados ao longo dos últimos anos, sempre com o intuito de aprofundar a compreensão deste ponto que, no entanto, continua a revelar-se extremamente complexo e com inúmeros critérios e estratégias de análise.
Seja como for, é importante salientar a importância e o entendimento deste fenómeno como fator crucial no controlo e redução da poluição e na melhoria das condições das escorrências. Dando informações sobre qual a dimensão do volume de escoamento poluído que é preciso tratar, bem como acerca das quantidades de massas de poluentes verificadas, torna-se decisivo na altura de escolher os sistemas e os mecanismos de tratamento mais adequados ao cenário em causa. É por isso fundamental continuar a apostar na análise e no estudo do Primeiro Fluxo, de forma a garantir a sustentabilidade, quer das águas pluviais, quer dos cursos de água e ecossistemas.
Para além da análise do Primeiro Fluxo, é também muito importante estimar as massas poluentes de determinada escorrência. Para esta avaliação, é necessário ter em consideração a variação temporal da precipitação, os caudais em causa e as concentrações dos poluentes a analisar.
De seguida, apresentamos dois dos métodos mais conhecidos e utilizados no que diz respeito à estimação de poluentes de escorrências: o método simplificado e as leis de build-up e wash-off.
Método Simplificado
Extremamente utilizado em bacias hidrográficas pequenas de zonas urbanas e áreas desenvolvidas, tendo em vista o planeamento local, o método simplificado baseia-se na análise da área de drenagem, da cobertura impermeável da bacia, das concentrações de poluentes das águas pluviais e da precipitação anual (McCarthy, 2008).
“Adequado para a avaliação e comparação das mudanças de massas poluentes de diferentes usos do solo e de diferentes cenários de gestão de águas pluviais”, com base neste método é possível obter estimativas de exportação de poluentes próximas do valor real (Costa, 2012).
A massa de poluente é estimada com base na expressão empírica que se segue: 𝐿𝑝 =
𝐻𝑅 × 𝑃𝑗× 𝑅𝑉 × 𝐶𝑚× 𝐴
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𝐿𝑝 corresponde à massa de poluente no intervalo de tempo em causa;
𝐻𝑅 se refere à quantidade de chuva correspondente à profundidade total da chuva
que precipitou durante o intervalo de tempo em causa;
𝑃𝑗 diz respeito à percentagem de chuva, durante o intervalo em análise, que resulta
em escoamento. Este parâmetro é utilizado para considerar os eventos de precipitação que não produzem escoamento apreciável – águas intercetadas, armazenadas ou evaporadas – durante o intervalo de tempo definido;
𝑅𝑉 é o coeficiente de escoamento e calcula-se com base na impermeabilidade da bacia hidrográfica, de acordo com a seguinte equação:
𝑅𝑉 = 0,05 + 0,009 × 𝐼𝑎 (26)
Onde 𝐼𝑎 diz respeito à percentagem de área impermeável da bacia hidrográfica;
𝐶𝑚 corresponde à concentração média ponderada do poluente em estudo, no
escoamento em causa. Importa referir que este valor sofre variações em função do tipo de solo – urbano, industrial, florestal, vias de comunicação, etc. – e que existem diversas tabelas que definem os valores a adotar neste parâmetro em função do tipo de solo e do poluente a considerar;
𝐴 é a área de desenvolvimento do local;
98,6 é o fator de conversão de unidade (Costa, 2012).
É ainda possível, com base neste método, determinar as massas de poluentes de compostos químicos, como um produto de volume do escoamento anual e concentração de poluentes, tendo por referência a seguinte equação:
𝐿 = 0,226 × 𝑅 × 𝐶 × 𝐴 (27) Onde:
𝐿 é a massa anual;
𝑅 corresponde ao escoamento anual e pode ser determinado com base no coeficiente de escoamento 𝑅𝑉, de acordo com a expressão que se segue:
𝑅 = 𝑃 × 𝑃𝑗× 𝑅𝑉 (28)
Onde 𝑅 se refere ao escoamento anual, 𝑃 à precipitação anual, 𝑃𝑗 à percentagem de chuva que produz escoamento durante o intervalo considerado e 𝑅𝑉 ao
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𝐶 se refere à concentração do poluente; 𝐴 diz respeito à área;
0,226 é o fator de conversão de unidade (McCarthy, 2008).
Paralelamente, com base no método simplificado, é ainda possível determinar a presença de microrganismos, de acordo com esta expressão:
𝐿 = 0,00103 × 𝑅 × 𝐶 × 𝐴 (29) Onde:
𝐿 é a massa anual;
𝑅 corresponde ao escoamento anual e pode ser determinado com base no coeficiente de escoamento 𝑅𝑉, de acordo com a expressão que se segue:
𝑅 = 𝑃 × 𝑃𝑗× 𝑅𝑉 (30)
Onde 𝑅 se refere ao escoamento anual, 𝑃 à precipitação anual, 𝑃𝑗 à percentagem de chuva que produz escoamento durante o intervalo considerado e 𝑅𝑉 ao coeficiente de escoamento;
𝐶 se refere à concentração da microrganismos; 𝐴 diz respeito à área;
0,00103 é o fator de conversão de unidade.
Muitas das vezes, no estudo dos mais diversos escoamentos e agentes poluidores que o constituem, é importante também analisar qual a probabilidade que um poluente apresenta de ultrapassar um determinado nível.
Isso é possível através do relacionamento entre a concentração média do poluente com o coeficiente de variação da frequência de ocorrência da concentração, tal como é descrita pela equação que se segue:
𝑥 = 𝐶𝑚
(𝑍×√𝑙𝑛(1+(𝐶𝑉)))
(31) Onde:
𝑥 é a concentração de poluente esperada para determinada probabilidade de ocorrência;
𝐶𝑚 se refere à probabilidade normal padrão; 𝑍 diz respeito à concentração média do poluente; 𝐶𝑉 é o coeficiente de variação.
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Por último, referir que, apesar de ser extremamente útil nas mais diversas situações, o método simplificado torna-se inapropriado quando se pretende efetuar uma comparação entre casos muito semelhantes. Para além disso, deve ser aplicado unicamente a bacias hidrográficas de pequenas dimensões, sendo que, na análise de bacias maiores e mais complexas, a aposta deve ser em modelações mais sofisticadas, com recurso, muitas das vezes, a metodologias computacionais.
Leis de Build-up e Wash-off
A análise do transporte de poluentes, bem como a estimação das suas concentrações pelas águas pluviais, apresenta-se, frequentemente, como um fenómeno muito complexo, que envolve um sem número de fatores e de parâmetros.
A forma como estes podem ser analisados e interpretados afigura-se como um desafio para os técnicos. Foi neste sentido que surgiu o build-up e o wash-off.
Relativamente ao primeiro, consiste no estudo de grande parte dos processos que se verificam em ambientes urbanos durante os períodos secos e que podem apresentar impactos nas águas pluviais. Inclui-se neste âmbito a deposição de compostos, a limpeza de ruas e a erosão eólica, processos que conduzem a uma acumulação de poluentes nas mais diversas superfícies e pavimentos.
Sendo um fenómeno complexo e que pode assumir uma grande multiplicidade de variáveis, o build-up baseia-se em equações empíricas que, posteriormente, são sujeitas a uma calibração em função das condições do local.
Assim, a distribuição de build-up sólidos é obtida em função do número de dias secos antecedentes, tendo por base a equação que se segue:
𝑃𝑡 = 𝑃𝑖 + (𝑃 × 𝐴 − 𝑃𝑖) × (1 − 𝑒−𝑘×𝑡) (32)
Onde:
𝑃𝑡 se refere à acumulação de sólidos até ao dia 𝑡;
𝑃𝑖 diz respeito à massa inicial de sólidos na superfície que não foram lixiviados na chuvada anterior;
𝑃 é o máximo build-up dos sólidos; 𝐴 se refere à área de drenagem;
𝑘 é o fator exponencial de build-up. Usualmente, e de acordo com o Storm Water Management Model, considera-se um valor de 0,4;
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Quanto ao wash-off, retrata a fase subsequente, referente ao período em que existe precipitação. Analisa os processos que ocorrem aquando da existência de escorrências e que contribuem para a contaminação, por via de agentes poluidores, das águas pluviais, tais como fenómenos de ressuspensão, fenómenos de incorporação nas escorrências dos processos de erosão, e ainda o transporte de poluentes (Hvitved-Jacobsen et al., 2010).
𝑃𝑡 = 𝑃𝑖 × 𝑒𝑘×𝑉 (33)
Onde:
𝑃𝑡 se refere aos sólidos lixiviados no dia 𝑡;
𝑃𝑖 diz respeito à massa inicial dos sólidos, correspondendo ao valor obtido, 𝑃𝑡, na distribuição de build-up sólidos;
𝑘 é o fator de decaimento exponencial, considerando-se, usualmente, o valor de 0,2;
𝑉 se refere ao volume de escoamento superficial (Costa, 2012).
Figura 32: Processos de build-up e wash-off em superfície urbana. (Adaptada de Costa, 2012)
Referir que estes conceitos são essenciais no controlo da poluição das escorrências, com especial realce no que concerne à determinação das massas específicas de poluentes, bem como na avaliação das vulnerabilidades das diferentes bacias hidrográficas.