MONITORAMENTO QUALI-QUANTITATIVO DOS RECURSOS HÍDRICOS EM PEQUENA BACIA

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1 MONITORAMENTO QUALI-QUANTITATIVO DOS RECURSOS HÍDRICOS EM PEQUENA BACIA Carlos Ernando da Silva (*) Universidade Federal de Santa Maria, CT, Departamento de Hidráulica e Saneamento Professor Adjunto. Engenheiro Químico pela Universidade Federal de Minas UFMG Mestre em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas UNICAMP Doutor em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Geraldo Lopes da Silveira Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Departamento de Hidráulica e Saneamento Carlos Alberto de Oliveira Irion Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Departamento de Hidráulica e Saneamento Jussara Cabral Cruz Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Departamento de Hidráulica e Saneamento Rua João Goulart, 552 apto 202 Camobi Santa Maria RS Brasil - Tel : + 55 (55) Fax.: + 55 (55) RESUMO O presente trabalho foi realizado na bacia hidrográfica onde está inserido o Campus da Universidade Federal de Santa Maria UFSM, com o objetivo de equacionar suas cargas poluidoras e avaliar os aspectos de qualidade dos corpos hídricos pela utilização do índice de qualidade da água NSF. A bacia hidrográfica foi dividida em duas regiões distintas para estimar separadamente as cargas produzidas pelo Campus e pela sub-bacia de montante. Os resultados indicam que a qualidade da bacia é fortemente dependente das contribuições de cargas poluidoras da sub-bacia de montante, representado cerca de 84 % do total de carga orgânica. O índice de qualidade da água da bacia variou entre 47 a 72 e a sub-bacia de montante apresentou valores entre 33 60, sendo as melhores condições observadas no período de inverno. Palavras-Chave: qualidade da água, monitoramento ambiental, bacia hidrográfica, recursos hídricos. INTRODUÇÃO A bacia hidrográfica por ser um palco unitário de interação das águas com os meios - físico, biótico, social, econômico e cultural - é tomada como unidade básica para o planejamento e gestão dos recursos hídricos e ambientais. As propriedades gerais de um corpo hídrico tendem a refletir as modificações de suas características promovidas, direta ou indiretamente, por uma grande variedade de influências naturais e antropogênicas. Uma forte associação entre os processos que ocorrem dentro de um componente territorial de uma bacia hidrográfica e qualidade da água dos corpos hídricos tem sido claramente demonstrada por vários estudos ambientais. A ação antrópica provoca alteração no escoamento natural das bacias, tornando as cheias mais intensas, as estiagens mais imediatas e prolongadas, acelerando os processos erosivos. A qualidade da água deteriora-se pelo aumento das cargas poluidoras, associadas à redução do efeito de diluição do escoamento nos períodos de estiagem. 1

2 O índice de qualidade da água (IQA) é um número simples que expressa a qualidade geral da água em certo local e tempo, baseado em vários parâmetros de qualidade da água. O objetivo de um índice é transformar os complexos dados de qualidade da água em informação que pode facilmente ser entendida e utilizada pela população. O uso de um índice para graduar a qualidade da água é motivo de controvérsia para especialista da área. Um simples número não pode representar todo um histórico de qualidade da água e existem muitos outros parâmetros de qualidade que não são incluídos no índice. Entretanto, um índice baseado em alguns parâmetros importantes podem refletir uma indicação da qualidade da água. Isto permite a população ter uma idéia geral dos possíveis problemas com a água em determinada região. A região do Campus da UFSM localiza-se na porção intermediária de pequena bacia hidrográfica que define uma das nascentes do Rio Vacacaí-Mirim. Essa bacia possui área de 10 Km² e situa-se na região central do estado do Rio Grande do Sul. O Campus da UFSM ocupa 65% da área total dessa bacia. A bacia está em sua totalidade alterada por processos de urbanização e de utilização do solo para a agricultura. A porção da bacia externa ao Campus localiza-se a montante e possui intenso processo de urbanização, produto da implantação de núcleos de habitações populares e de ocupação de terras inicialmente invadidas, hoje regularizadas em seus aspectos fundiários pela prefeitura de Santa Maria. Também fazem parte da região de montante da bacia construções de elevado padrão, entretanto, para toda a região, inexiste sistema de esgotos cloacais, o que impacta sobremaneira a bacia. Em menor proporção, a área do Campus apresenta aspectos negativos que contribuem para impactar e degradar a qualidade dos recursos hídricos, visto que alguns prédios ainda possuem sistemas de esgotos subdimensionados, produto de passivo ambiental mais antigo. Os escoamentos na bacia apresentam-se visualmente poluídos e efetivamente impactados e por se desenvolverem, em sua grande parte, na região do Campus induz a comunidade interna e externa atribuir à Universidade Federal de Santa Maria todas as cargas poluidoras geradas. O objetivo do estudo é equacionar as cargas produzidas na bacia onde está inserido o Campus da UFSM e avaliar os aspectos de qualidade dos recursos hídricos através da utilização do índice de qualidade da água, bem como através das classes de enquadramento da Resolução CONAMA N. 20 (CONAMA, 1986). METODOLOGIA A situação que se estabelece para a concepção do monitoramento é a de que a área correspondente ao Campus da UFSM não se localiza totalmente na cabeceira da bacia, mas em porção intermediária. Desta forma uma estação no exutório da bacia traz integradas todas as cargas poluidoras produzidas pela bacia. Isto dificulta isolar-se aportes externos das cargas produzidas pelo Campus, dificultando a priorização das ações de adequação e melhoria. Portanto, a bacia hidrográfica possui duas ocupações predominantes: 1 ) uma região de cabeceira com ocupação de bairro residencial (Sub-Bacia de Montante), com área de drenagem de 3,2 km 2 e; 2 ) uma porção intermediária de domínio predominante do Campus da UFSM (Região Hidrográfica do Campus), com área de drenagem de 6,5 km 2. A divisão das cargas ocorre em função de adequada modulação da rede de drenagem. Para equacionar o processo estabeleceu-se à instalação conveniente de duas estações fluviométricas de referência que permitem avaliar separadamente as cargas poluidoras produzidas na bacia. Uma delas localiza-se junto à gráfica da Universidade (Calha Gráfica) e outra ao término do domínio territorial do Campus (Calha Pains). Estas duas regiões ou sub-bacias estão identificadas na Figura 1. Em função das condições geomorfológicas da bacia, de solo erodível, para o monitoramento quali-quantitativo da pequena bacia, optou-se pelo uso de estruturas hidráulicas pré-aferidas, de fundo raso, por suprir dificuldades naturais para o monitoramento na situação. A adequação e o uso deste tipo de estrutura para monitoramento hidrológico foi discutido por Silveira e Tucci (1998) e deve-se a suas características fundamentais: (i) proporciona a estabilização do leito das vazões medianas e mínimas, (ii) possui capacidade para medir grande parte do fluviograma; (iii) pela robustez da estrutura de concreto e; (iv) pela eficiência da estação hidrométrica na relação do seu - custo, manutenção e operação. 2

3 As calhas são caracterizadas por duas dimensões, o seu comprimento (L) e a largura de sua garganta (W), que corresponde ao estreitamento de sua seção de escoamento conforme descrito nos manuais de hidráulica. A vazão ou descarga que percorre a calha pode ser obtida pela verificação do nível de água que se realiza através de leitura em régua e calculada através da curva-chave teórica da estrutura. A curva-chave prática foi determinada através das medidas dos escoamentos, utilizando-se o método área-velocidades. O monitoramento qualitativo objetiva avaliar o estado da qualidade da água nos corpos hídricos da bacia, sendo desenvolvido junto às seções de monitoramento hidrológico de modo a avaliar-se as cargas poluidoras, pela expressão a seguir: Carga = concentração x vazão (1) Os parâmetros de qualidade foram definidos em função da infra-estrutura analítica disponível no Laboratório de Saneamento do Departamento de Hidráulica e Saneamento da UFSM e consistem em: temperatura do ar de da água; condutividade elétrica; oxigênio dissolvido (OD), demanda bioquímica de oxigênio (DBO 5,20 ), demanda química de oxigênio, turbidez, sólidos totais, sólidos suspensos, sólidos dissolvidos, sólidos sedimentáveis, acidez, alcalinidade total, cloretos, óleos e graxas, coliformes totais e coliformes fecais (CF). Os procedimentos analíticos utilizados, estão preconizados no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995). O índice de qualidade da água utilizado foi desenvolvido pela Nation Sanitation Foundation NSF (Brown et al, 1970), como sugerido por Ide et al (2000). O cálculo desse índice é feito através do produtório ponderado dos subíndices dos parâmetros, obtidos pelas respectivas curvas de variação da qualidade da água. Figura 1: Fotografia aérea da bacia hidrográfica e sua localização. 3

4 A compartimentação do espaço físico adotado ou divisão da rede de drenagem em seções hidrológicas de referência deve permitir o seguinte equacionamento de forma eficaz: onde: CPC x = CPT x CPM x (2) CPC x : cargas poluidoras produzidas pelo Campus da UFSM; CPT x : carga poluidora total produzida pela bacia CPM x : cargas poluidoras produzidas por fontes externas, vinculadas a Sub-Bacia de Montante; x : poluente de interesse Assim, a carga produzida pela porção da bacia onde esta inserida o Campus da UFSM pode ser avaliada pelo diferencial das cargas monitoradas entre entrada e saída do Campus. É evidente que este equacionamento induz aproximações visto que o domínio territorial da Universidade não pode ser compartimentado exatamente por trecho de ocupação da bacia. A avaliação dos aspectos de qualidade dos escoamentos na bacia do Campus considera a indissociabilidade dos aspectos qualitativos e quantitativos dos recursos hídricos. A indissociabilidade é estabelecida a partir da diluição das cargas poluidoras no espectro de variabilidade das vazões do corpo receptor para cada magnitude de vazão monitorada, da mediana (Q50%) até a mínima (Q95%). O parâmetro avaliado inicialmente neste trabalho é a DBO 5,20. RESULTADOS E DISCUSSÃO O monitoramento quali-quantitativo dos corpos hídricos, foi estabelecido de forma conveniente a permitir o eficiente balanço de cargas. Desta forma, foram construídas duas estruturas hidráulicas, a primeira corresponde à calha da Gráfica por onde escoam as cargas que aportam ao Campus da UFSM, e, a segunda, a calha dos Pains, que avalia as cargas totais produzidas pela bacia. Por meio desta rede, a carga produzida pelo Campus é definida pelo diferencial de cargas entre as duas estruturas (Pains e Gráfica), aplicando de forma eficiente o equacionamento proposto. O processo construtivo desenvolveu-se inicialmente pela definição exata da localização das estruturas hidráulicas que deve se preocupar com critérios hidráulicos para estabelecer condições de não represamento na estrutura quando do seu escoamento afogado. Para tanto se avalia topograficamente dois pontos, montante e jusante, podendo este processo ser desenvolvido por avaliação de nivelamento com mangueira. Adotou-se como critério de projeto o desnível mínimo de 10 cm. Outro aspecto que merece cuidados é o embasamento da estrutura. Se construída sob solos arenosos a calha deve ser edificada sob fundação na forma de laje de concreto com espessura mínima de 30 cm para fornecer peso próprio a estrutura e engastamento as paredes da calha, Mardini (2000). Após obtidos os valores práticos das descargas os mesmos foram relacionados às respectivas alturas de lâminas de água na calha de forma a obter-se as curvas-chave reais. Da comparação entre as curvas real e teórica apresentada na Figura 2, pode-se concluir que a curva teórica das calhas possui confiabilidade para a condição de operação de campo. Outro aspecto avaliado por este estudo foi a dinâmica de realização das medições de descarga, com o objetivo da definição de uma curva real adaptada as condições naturais. Conclui-se que a curva chave real é de fácil obtenção pela estabilização do leito. Verificou-se um tempo médio de 20 minutos para a realização de cada medição de descargas. Este fato reforça a recomendação de não se deve dispensar a verificação das curvas teóricas mesmo para estruturas instaladas com condições adequadas de escoamento. Os parâmetros de qualidade dos recursos hídricos superficiais foram determinados através de campanhas de coletas simples mensais. A tabela 1 apresenta os valores médios destes parâmetros, relativos ao período de monitoramento de março/01 a maio/02 e as respectivas classes de enquadramento de acordo com os limites estabelecidos na Resolução CONAMA N. 20/86. Devido a problemas operacionais não foram realizadas as coletas relativas aos meses de dezembro/01 e março/02. 4

5 Cota (cm) Calha Gráfica: Curvas Teórica e Real Vazão (L/s) Cota (cm) Calha Pains: Curvas Teórica e Real Vazão (L/s) Medição de Descarga Curva Teórica Curva Real Figura 2 Curvas--chave Teórica e Real das estruturas hidráulicas. Tabela 1 Valores médios dos parâmetros de qualidade da água dos corpos hídricos e enquadramento Parâmetro Unidade Calha Classe de Calha Classe de Gráfica enquadramento Pains enquadramento Temperatura do ar ( o C) 21,3-21,4 - Temperatura da água ( o C) 20,3-20,9 - Turbidez (NTU) 17, ,14 1 ph - 7,07 1 7,19 1 Condutividade Elétrica (µs) 524,0-401,2 - Oxigênio Dissolvido (mg/l) 2,65 4 5,54 2 DBO (mg/l) 12,5 4 6,2 3 DQO (mg/l 55,7-37,3 - Sólidos Totais (mg/l) 193,3-192,4 - Sólidos Suspensos (mg/l) 13,3-17,6 - Sólidos Dissolvidos (mg/l) 180, ,8 1 Sólidos Sedimentáveis (ml/l) 0,03-0,04 - Acidez (mg CaCO3/L) 16,47-11,15 - Alcalinidade Total (mg CaCO3/L) 99,15-83,78 - Cloretos (mg/l) 19, ,90 1 Óleos e Graxas (mg/l) 5,32 4,72 Coliformes Totais. (NMP) Coliformes Fecais (NMP) Os resultados obtidos demonstram que a qualidade do corpo hídrico que adentra o Campus apresenta parâmetros de qualidade da água inferiores aos parâmetros efluentes ao Campus, exceto quanto aos aspectos biológicos. Verifica-se que os parâmetros OD, DBO e coliformes totais da vazão afluente ao Campus (Calha Gráfica) atende aos requisitos referentes à Classe 4, os coliformes fecais na Classe 3. Por outro lado, a vazão efluente ao Campus (Calha Pains) enquadra-se nos requisitos de qualidade da Classe 1 (OD), Classe 2 (DBO), Classe 3 (Coliformes Totais) e Classe 4 (Coliformes Fecais). O perfil do índice de qualidade da água (IQA) ao longo do período de monitoramento é apresentado na Figura 3. A qualidade da água da sub-bacia de montante apresenta-se na condição ruim ao longo do período de monitoramento, sendo observada uma tendência de melhoria no período de maio e junho. A bacia total, avaliada em seu exutório, 5

6 apresenta uma qualidade da água média, apresentando também uma melhor qualidade nos meses de maio e junho. O índice de qualidade da água da bacia variou entre 47 a 72 e a sub-bacia de montante apresentou valores entre A melhoria nos aspectos qualitativos da água proveniente da sub-bacia de montante pode ser avaliada frente à diluição nos escoamentos, associados a um menor aporte de cargas orgânicas das contribuições do Campus. Índice de Qualidade - NSF mar/01 abr/01 Calha Pains mai/01 jun/01 jul/01 ago/01 set/01 out/01 nov/01 dez/01 Data da Coleta Calha Gráfica Figura 3 Perfil do Índice de Qualidade da Água IQA NSF. jan/02 fev/02 mar/02 abr/02 mai/02 jun/02 Boa Média Ruim A quantificação das cargas poluidoras produzidas pelo Campus da UFSM pode ser avaliada através do diferencial entre as cargas efluentes e afluentes ao mesmo, calculado pela equação 2. A Tabela 2 sumariza os valores médios das cargas orgânicas, em termos do parâmetro de DBO, e os respectivos valores de população equivalente. Os valores das cargas orgânicas foram obtidos através das médias das cargas determinadas ao longo do período de monitoramento. A população equivalente foi estimada, considerando-se uma contribuição per capita de 30 g DBO/ hab.dia. Constata-se que do total de carga orgânica produzida na bacia (42,79 kg DBO/dia), cerca de 84 % é devido à sub-bacia de montante, como consequência do lançamento de esgotos sanitários sem tratamento adequado, correspondendo a uma população equivalente de 1197 habitantes. Por outro lado, a pequena contribuição do Campus (6,89 kgdbo/dia) sugere uma eficiência satisfatória dos sistemas de tratamento de esgotos implantados (tanque séptico-filtro anaeróbio) na remoção de matéria orgânica. Entretanto, os valores críticos dos parâmetros biológicos (Coliformes Totais e Fecais) dos escoamentos no exutório da bacia, podem estar relacionados principalmente a baixa eficiência apresentada por esses sistemas de tratamento na eliminação de microorganismos. Tabela 2 Valores médios das cargas s orgânicas na bacia Área de Abrangência Carga DBO 5,20 (g/dia) População Equivalente (habitantes) CPT Toda a bacia 42790, CPE Bacia de Montante 35897, CPC Região do Campus 6893, Na avaliação do efeito da variabilidade das vazões na qualidade dos corpos hídricos, foi monitorado o hidrograma durante o período de estudo, e com esta série temporal, preliminarmente, determinou-se uma curva de permanência de vazões. Os dados devido ao curto período de monitoramento não são representativos, mas permitem introduzir a discussão da relação quali-quantitativa da qualidade da água perante a resolução CONAMA 20 e os efeitos para o 6

7 enquadramento dos cursos de água em pequenas bacias. Os dados encontrados para as vazões da mediana a mínima são apresentados na tabela 3. Tabela 3 - Permanência das vazões na bacia do Campus Permanências Calha Gráfica Calha Pains (L/s) (L/s) Q 50% 37,51 117,37 Q 55% 32,74 90,82 Q 60% 31,34 86,44 Q 65% 28,12 81,28 Q 70% 24,96 69,94 Q 75% 23,63 56,79 Q 80% 21,87 50,35 Q 85% 20,01 50,35 Q 90% 18,43 46,12 Q 95% 15,08 40,03 Com a variabilidade das vazões encontradas para as duas seções monitoradas, determinou-se a concentração dos parâmetros de qualidade da água, dividindo-se os valores das vazões com permanências das medianas a mínima pelas cargas orgânicas. Os resultados das concentrações estimadas são apresentados na Tabela 4, juntamente com a respectiva classe de enquadramento. Tabela 4 - Concentração dos parâmetros e classes de enquadramento Calha Gráfica Calha Pains Vazões de Diluição DBO 5,20 DBO 5,20 (mg/l) Classe (mg/l) Classe Q 50% 11,1 4 4,2 2 Q 60% 13,3 4 5,7 3 Q 70% 16,6 4 7,1 3 Q 80% 19,0 4 9,8 3 Q 90% 22,5 4 10,7 3 Q 95% 27,6 4 12,4 4 Os valores obtidos demonstram que a qualidade da água no exutório da bacia atende aos requisitos do paramento DBO 5,20 para a classe 2, apenas na condição de vazão mediana. Avaliando-se os cenários para regime de estiagem, prevê-se uma degradação significativa da qualidade da água, apresentando valores de DBO 5,20 dentro dos padrões de enquadramento relativos às classes 3 e 4. A qualidade da água que adentra a região do Campus da UFSM, referente à sub-bacia de montante, apresenta condições de enquadramento da classe 4 em todos os regimes de vazões de diluição. CONCLUSÕES Os resultados indicam que a qualidade da água efluente ao Campus é fortemente dependente das contribuições das cargas poluidoras da sub-bacia de montante, tendo em vista os altos valores constatados através do programa de monitoramento. Ações no sentido de equacionar a poluição por carga orgânica proveniente de esgotos sanitários junto à sub-bacia de montante devem ser incentivadas, visando à melhoria da qualidade da água. O alto índice de coliformes presentes nos escoamentos da bacia indica a necessidade de se buscar uma maior eficiência no sistema de tratamento de esgoto, através da implantação de pós-tratamento dos efluentes desses sistemas. 7

8 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio recebido. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS APHA; AWWA; WPCF (1995) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19 th ed. Washington: American Public Health Association. Brown R. M., McClelland N I., Deininger R. A., Tozer R. G. (1970). "A water quality index- do we dare?" Water and Sewage Works. October. p Ide, C.N., Roche, K.F., Troli, A.C., Gonçalves, J.L., Imolene, L.M., Gameiro, L.F.S., Seixas, M.A.C., Schio, R. (2000). IQAS para Mato Grosso do Sul: Quais Refletem a Situação Real? XXVII Congreso Interamericano de Engenharia Sanitária y Ambiental, Tema V-029, 3 al 8 diciembre, Porto Alegre/RS, Brasil. Mardini, L. B. L.; Souza, M. A.; Silveira, G. L. (2000). Simulium ssp. Control Program in Rio Grande do Sul, Brazil Memórias do Instituto Oswaldo Cruz, Rio de Janeiro, v. 95, n. I, p Silveira, G. L. da.(1997). Quantificação de Vazão em Pequenas Bacias Hidrográfica com Dados Escassos, Tese de Doutorado em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiente, IPH, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Silveira, G. L.; Tucci, C. E. M. (1998) Monitoramento em pequenas Bacias para a Estimativa de Disponibilidade Hídrica. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Porto Alegre RS, v. 3, n. 3, p

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