Departamento de Engenharia Civil

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1 Departamento de Engenharia Civil Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Construção Urbana Autor Ana Filipa Mota Mortinho Orientador Prof. Doutor Joaquim José de Oliveira Sousa Instituição Instituto Politécnico de Coimbra Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Coimbra, Setembro, 2011

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3 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais AGRADECIMENTOS AGRADECIMENTOS A presente dissertação foi um dos grandes desafios a que me propus durante todo o meu percurso académico. Na realização desta, contei com o apoio de várias individualidades/entidades a quem manifesto os meus profundos agradecimentos. Ao Professor Doutor Joaquim José de Oliveira Sousa, orientador da dissertação, por todo o apoio, dedicação, compreensão e amizade demonstrada, pelos ensinamentos recebidos e pela disponibilidade na excelente orientação deste trabalho. Agradeço à Águas de Coimbra, à Águas do Mondego e à Águas da Figueira por toda a informação fornecida, a qual contribuiu para o enriquecimento deste trabalho. A todos os meus colegas e amigos pelas palavras de incentivo, de apoio e de amizade que em momentos menos bons me ajudaram a continuar. A ti Cátia um agradecimento especial por todo o carinho, amizade, apoio e incentivo que manifestaste durante todo o meu percurso académico. É ainda devido um agradecimento à minha amiga Cristiana que durante quatro anos foi a minha família em Coimbra, por toda a amizade e incentivo. Agradeço aos meus pais e irmã por todo o carinho, apoio, paciência e incentivo que demonstraram durante toda a minha formação académica. A todos o meu sincero agradecimento. Ana Filipa Mota Mortinho Coimbra, Setembro de 2011 Ana Filipa Mota Mortinho iii

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5 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais RESUMO RESUMO Os caudais de infiltração provenientes, directa ou indirectamente, de um dado evento pluviométrico são um dos principais aspectos considerados prejudiciais ao nível de um bom desempenho dos sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais. A afluência de caudais de infiltração aos sistemas de drenagem de águas residuais perturba o seu funcionamento, uma vez que pode conduzir a sobrecarga e extravasamento dos sistemas, assim como afecta a exploração quer dos sistemas de drenagem quer das estações de tratamento de águas residuais (ETAR). A afluência destes caudais tem como resultado a diminuição quer da eficiência quer da eficácia destas infra-estruturas. Deste modo, através de estudos que pretendem uma melhor compreensão da afluência dos caudais de infiltração aos sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais, é possível perceber que a caracterização e quantificação destes caudais devem ser dos primeiros passos a serem realizados. No presente trabalho abordam-se as causas, origem e natureza das infiltrações, assim como os métodos que permitem a quantificação das mesmas. Além disso, apresentam-se, também, alguns indicadores de desempenho que permitem avaliar de forma sistemática o desempenho dos sistemas no que respeita aos caudais de infiltração. Por fim, é ilustrado um estudo de caso, com intuito de aplicar os métodos e indicadores de desempenho abordados a dois sistemas de drenagem reais. Palavras-chave: Infiltrações, infiltrações directas, infiltrações indirectas, sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais. Ana Filipa Mota Mortinho v

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7 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ABSTRACT ABSTRACT The infiltration/inflow caused by a pluviometric event are one of the main aspects regarded as detrimental when considering a good performance of the drainage and waste water treatment systems. The arising quantity of infiltration/inflow into waste water drainage systems disrupts their operation once this can lead to a system overload and spillover, as well as affecting the operation and management of not only the drainage systems but also the waste water treatment plants (WWTP). The existence of infiltration/inflow results in a decrease in not only the efficiency but also the effectiveness of such infrastructures. That way, through studies that seek a better understanding of the infiltration/inflow into drainage and waste water treatment systems, it is possible to perceive that the characterisation and quantification of these flows should be the first steps taken. In this study, we deal with the causes, origin and nature of infiltration/inflow, as well as the methods which allow for their quantification. Moreover, some performance indicators are presented which enable us to systematically assess the performance of the systems regarding infiltration/inflow. Lastly, a case-study is illustrated with the intention of applying the methods and performance indicators to two real drainage systems. Keywords: infiltration/inflow, drainage systems and waste water treatment. Ana Filipa Mota Mortinho vii

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9 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ÍNDICE ÍNDICE AGRADECIMENTOS... iii RESUMO... v ABSTRACT... vii ÍNDICE...ix ÍNDICE DE FIGURAS...xi ÍNDICE DE QUADROS... xii SIMBOLOGIA... xiii ACRÓNIMOS... xvi 1. INTRODUÇÃO Enquadramento Objectivos e Metodologia Estrutura da Dissertação AVALIAÇÃO DA INFILTRAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS Definição de Infiltração Origem e Natureza dos Caudais de Infiltração Caudais de infiltração com origem directa na precipitação Caudais de infiltração com origem indirecta na precipitação Factores que Influenciam a Ocorrência de Infiltrações Impacto da Infiltração nos Sistemas de Drenagem de Águas Residuais Análise de Custos CONTROLO E QUANTIFICAÇÃO DA INFILTRAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM Controlo da Infiltração Quantificação da Infiltração Métodos Baseados em Medições de Caudal Método do triângulo Balanço anual Método do caudal mínimo Método do caudal em tempo seco Método do mínimo móvel Modelação das redes de drenagem Métodos Baseados em Traçadores Ana Filipa Mota Mortinho ix

10 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ÍNDICE Método suíço Séries temporais de medições Isótopos estáveis Projecto APUSS Abordagem de Similaridade Recomendação da ERSAR Outros Critérios para a Quantificação das Infiltrações INDICADORES DE DESEMPENHO ESTUDO DE CASO Breve Descrição do Estudo de Caso Análise do Estudo de Caso ETAR do Choupal Método do mínimo móvel Método do triângulo Comparação e interpretação dos resultados ETAR da Zona Urbana Método do mínimo móvel Método do triângulo Comparação e interpretação dos resultados Indicadores de Desempenho ETAR do Choupal Indicadores de desempenho propostos pela ERSAR Outros indicadores ETAR da Zona Urbana Indicadores de desempenho propostos pela ERSAR Outros indicadores Análise comparativa CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS x

11 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE FIGURAS Figura Ocorrência de infiltrações... 5 Figura Exemplos de câmaras de visita (Sousa, 2009)... 6 Figura Evolução do estado estrutural de um colector (Franz, 2007)... 7 Figura Esquema demonstrativo de ligações indevidas (Concordma, s.d.)... 8 Figura Esquema demonstrativo do efeito da subida do nível freático (Adaptado de Franz, 2007)... 8 Figura Exemplo demonstrativo da relação da precipitação com a infiltração directa Figura Variação do caudal afluente à ETAR de Taveiro com a altura do ano Figura Variação do caudal afluente à ETAR das Alhadas com a altura do ano Figura Infiltrações com origem no envelhecimento e fissuras do colector (York, s.d.) Figura Fuga e respectivo caudal infiltrado no sistema de drenagem Figura Exemplo de uma inspecção de vídeo (York, s.d.) Figura Exemplo de uma inspecção numa câmara de visita (York, s.d.) Figura Exemplos de testes de fumo (CRD, s.d.; York, s.d.) Figura Optimização do custo associado à redução da infiltração numa rede de drenagem (Amorim, 2007) Figura Esquema das componentes do caudal total de água residual (Franz, 2007) Figura Representação esquemática do método do triângulo Figura Representação esquemática do método do mínimo móvel Figura Determinação da infiltração e exfiltração em colectores (Amorim, 2007) Figura ETAR do Choupal Figura Resultado do método do mínimo móvel para a ETAR do Choupal Figura Diagrama cronológico de caudais medidos na ETAR do Choupal e da precipitação registada durante o ano de 2010 (eixo inferior - caudal; eixo superior - precipitação) Figura Aplicação do método do triângulo para a separação das parcelas do caudal afluente à ETAR do Choupal Figura ETAR da Zona Urbana (Google, s.d.) Figura Resultado do método do mínimo móvel para a ETAR da Zona Urbana Figura Aplicação do método do triângulo para a separação das parcelas do caudal afluente à ETAR da Zona Urbana Ana Filipa Mota Mortinho xi

12 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ÍNDICE DE QUADROS ÍNDICE DE QUADROS Quadro Origem, tipos e causa de infiltração... 9 Quadro Comparação de métodos de medição (Adaptado de Franz, 2007) Quadro Grupos de indicadores de desempenho (Matos et al., 2004) Quadro Resultados obtidos por aplicação do método do mínimo móvel Quadro Percentagem de infiltrações obtidas pelo método do mínimo móvel e pelo método do triângulo Quadro Resultados obtidos por aplicação do método do mínimo móvel Quadro Percentagem de infiltrações obtidas pelo método do mínimo móvel e pelo método do triângulo Quadro Volumes de infiltração directa e indirecta e volumes de água residual com infiltrações indirectas obtidos para a ETAR do Choupal e para a ETAR da Zona Urbana Quadro Determinação do (L colector x Perimetro) Quadro Síntese dos valores obtidos para os indicadores de desempenho segundo a ERSAR Quadro Síntese dos valores obtidos para os outros indicadores de desempenho xii

13 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais SIMBOLOGIA SIMBOLOGIA % AR percentagem de água residual A área da secção do escoamento ou área molhada Ave caudal médio medido em 24 horas C capitação média de águas residuais concentração de água residual apenas de origem doméstica e industrial (não inclui o caudal de infiltração) concentração de CQO da água residual de origem doméstica e industrial (sem o caudal de infiltração) infiltração) concentração modelada de CQO (incluindo o caudal de concentração de água infiltrada c média concentração média de traçadores Cmin caudal mínimo nocturno (medido) c min concentração mínima de traçadores concentração da água residual total (incluindo o caudal de infiltração) DWF caudal médio diário em tempo seco E caudal industrial descarregado em 24 horas fa factor de afluência F I quociente entre o volume de infiltração e o volume total afluente à ETAR h GWL níveis freáticos circundantes h w níveis de água nos colectores i inclinação do colector I infiltração indirecta I/E infiltração e exfiltração k constante de recessão K s coeficiente de rugosidade L colector comprimento do colector M número de dias do último período contínuo de tempo seco nº C visita número de câmaras de visita Ana Filipa Mota Mortinho xiii

14 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais SIMBOLOGIA P perímetro P população servida P w perímetro molhado Q caudal escoado Q I caudal de infiltração total (infiltrações directas + infiltrações indirectas) caudal de infiltração directa no momento t 0 caudal de infiltração indirecta Q inf caudal de infiltração total Q médio caudal total médio Q min caudal total mínimo Q mts valor do caudal médio diário em tempo seco Q sc valor do caudal de secção cheia do colector R h raio hidráulico t tempo caudal total de águas residuais, incluindo o caudal de infiltração V água armazenada volume de água armazenada V água captada volume de água captada V água exportada volume de água exportada V água perdida volume de água perdida V água residual, perdida volume de água residual perdida (exfiltrações) V DWF volume anual correspondente ao caudal em tempo seco V I volume de infiltração indirecta volume de águas residuais domésticas/industriais atribuído ao ponto de medição j, no dia de chuva n n volume estimado de águas pluviais, atribuído ao ponto de medição j, no dia de chuva volume total medido no ponto de medição j (ETAR ou secção de entrega), no dia de chuva n wa25 volume de descargas de excedentes wa26 volume de precipitação xiv

15 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais SIMBOLOGIA wc1 comprimento total da rede de colectores wc28 alojamentos ligados à rede de drenagem wc3 colectores em carga em tempo de chuva wd35 volume de água de ligações indevidas wd36 volume de água infiltrada wd37 volume de água exfiltrada wen indicadores ambientais wen5 volume de descargas de excedentes originadas por precipitação wf1 águas residuais colectadas wf3 alojamentos afectados por inundações resultantes da rede separativa de águas residuais domésticas em tempo de chuva wf5 alojamentos afectados por inundações resultantes da rede unitária de águas residuais domésticas em tempo de chuva wfi indicadores económico-financeiros wh1 duração do período de referência wop indicadores operacionais wop30 infiltração/exfiltração e ligações indevidas wop31 ligações indevidas wop32 infiltração wpe indicadores de recursos humanos wph indicadores infra-estruturais wph6 entrada em carga de colectores em tempo de chuva wqs indicadores de qualidade de serviço wqs11 inundação de alojamentos com origem em rede separativa de águas residuais domésticas em tempo de chuva wqs13 inundação de alojamentos com origem em rede unitária de águas residuais em tempo de chuva Ana Filipa Mota Mortinho xv

16 Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ACRÓNIMOS ACRÓNIMOS APUSS Assessing Infiltration and Exfiltration on the Performance of Urban Sewer Systems ASCE-WEF American Society of Civil Engineers Water Environment Federation CCTV Closed-Circuit Television CQO Carência Química de Oxigénio ERSAR Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e Resíduos ETAR Estação de Tratamento de Águas Residuais ID Indicador de Desempenho IDs Indicadores de Desempenho PEAD Polietileno de Alta Densidade PP Polipropileno PVC Policloreto de Vinilo RGSPPDADAR Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas Residuais SIG Sistema de Informação Geográfica USEPA United States Environmental Protection Agency WAA Water Authorities Association xvi

17 CAPÍTULO 1 1. INTRODUÇÃO 1.1 Enquadramento Para avaliar o desempenho técnico de sistemas de drenagem de águas residuais é necessário ter em conta uma análise em diferentes domínios nomeadamente, hidráulico, sanitário, ambiental, estrutural e sócio-económico, considerando diversos aspectos específicos de desempenho. No domínio hidráulico, estes aspectos incluem a entrada em carga de colectores, inundações, velocidades excessivas, assoreamento, redução da capacidade de escoamento e ocorrência de infiltrações. No que se refere ao domínio sanitário os aspectos mais relevantes são a contaminação microbiológica (resultante de, por exemplo, descargas sem tratamento adequado e exfiltração na rede de colectores) e a ocorrência de concentrações excessivas de gás sulfídrico. Em termos ambientais, podem ser considerados aspectos como a ocorrência de descargas não tratadas para o meio receptor assim como a exfiltração. Em relação ao domínio estrutural, destacam-se o assentamento dos colectores, a ocorrência de fendilhação, falhas, deformações e colapsos. Finalmente, no domínio sócio-económico podem ter-se em conta a ocorrência de odores, interrupções de tráfego e custos unitários de exploração (Cardoso et al., s.d.). Algumas das principais deficiências funcionais que ocorrem em sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais resultam da afluência de caudais de infiltração a estas infraestruturas. Estes caudais têm como principal causa, directa ou indirecta, a precipitação. A monitorização das estações de tratamento de águas residuais (ETAR) actualmente construídas tem demonstrado que existe uma forte relação entre a ocorrência de eventos pluviométricos e o aumento do volume dos efluentes nas ETAR. Esta situação, não sendo inédita, é hoje em dia motivo de preocupação por parte das entidades gestoras dos sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais, uma vez que estes caudais podem manifestar-se prejudiciais ao nível de uma boa operação dos sistemas. Os caudais de infiltração afectam fortemente o desempenho dos sistemas de drenagem, assim como das estações de tratamento de águas residuais, diminuindo quer a sua eficiência quer a sua eficácia. Desta forma, as infiltrações traduzem-se em perdas de eficiência dos sistemas de drenagem e de tratamento, aumentando os custos operacionais, podendo conduzir ainda à necessidade prematura de reforço da capacidade disponível (de transporte, de elevação e de tratamento). Assim, a afluência de caudais de infiltração aos sistemas de drenagem de águas residuais pode causar alguns problemas, nomeadamente: Entrada em carga dos colectores quando ocorre precipitação intensa. Esta situação pode conduzir a extravasamento para as ruas originando problemas de saúde pública, bem como evacuação através de descarregadores de emergência, os quais podem originar graves problemas ambientais nas linhas de águas receptoras; Ana Filipa Mota Mortinho 1

18 Introdução Diminuição da eficiência dos órgãos de tratamento motivada por alteração das cargas hidráulicas e da carga de poluentes; Abaixamento da temperatura da massa líquida nos tanques de arejamento e transporte e arrasto de biomassa para o decantador secundário nas estações de tratamento de águas residuais, o que origina o lançamento no meio receptor de efluentes tratados inadequadamente de que resulta frequentemente a acumulação de sólidos suspensos e sedimentos junto dos locais de descarga, a redução das concentrações de oxigénio da massa líquida e, por último, a criação de condições propícias para o desenvolvimento de fenómenos de eutrofização que certamente podem vir a comprometer a qualidade da água no próprio meio receptor; Aumento de custos operacionais e de investimento nas redes de drenagem e nas estações de tratamento de águas residuais; Insuficiência de capacidade dos colectores e das estações de tratamento de águas residuais, conduzindo a descargas de águas residuais no meio receptor sem qualquer tratamento, aumentando assim a poluição; Insuficiência de capacidade de bombagem das estações elevatórias; Os custos ligados às infiltrações são em grande número manifestando-se em custos directos de transporte de caudais indevidos, bem como no tratamento destes. Então, torna-se importante e necessário reduzir ao máximo os custos relacionados com as infiltrações, proporcionar um bom desempenho dos sistemas de drenagem de águas residuais, assim como diminuir o mais possível as afluências indevidas. As infiltrações em sistemas de drenagem de águas residuais são um tema que tem vindo progressivamente a mostrar alguma atenção por parte das entidades gestoras. Muitas entidades gestoras têm consciência de que os caudais de infiltração estão a originar significativos encargos para a exploração de sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais. Esta tomada de consciência por parte das entidades gestoras é razão mais que suficiente para considerar que as infiltrações são um motivo de actual preocupação sendo um assunto de crescente investigação nos últimos anos. 2

19 Introdução CAPÍTULO Objectivos e Metodologia A presente dissertação tem como objectivos: Aprofundar os conhecimentos na área de hidráulica, mais especificamente no âmbito do funcionamento dos sistemas de drenagem de águas residuais domésticas/industriais; Dar uma contribuição para a caracterização das infiltrações de águas pluviais nos sistemas de drenagem de águas residuais do nosso País; Avaliar as infiltrações em sistemas de drenagem de águas residuais; Identificar as causas, origem e natureza das infiltrações; Adquirir conhecimentos sobre os vários métodos que permitem quantificar os caudais de infiltração; Conhecer e calcular os indicadores de desempenho que permitem avaliar o desempenho de um sistema de drenagem no que respeita aos caudais de infiltração. Para o cumprimento dos objectivos apresentados anteriormente é necessário seguir uma determinada metodologia. A metodologia utilizada consiste em realizar uma pesquisa sobre infiltrações em sistemas de drenagem de águas residuais domésticas/industriais, estudar e aprender a utilizar os vários métodos abordados que permitem estimar os caudais de infiltração, e, por fim, aplicar estes métodos, bem como os diversos indicadores de desempenho, a dois sistemas de drenagem reais. 1.3 Estrutura da Dissertação A presente dissertação encontra-se organizada em seis capítulos, sendo a estrutura e o conteúdo sintetizados nesta secção. Como introdução, no Capítulo 1 encontra-se uma breve análise sobre a importância de avaliar os caudais de infiltração em sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais, sensibilizando para o modo como a sua afluência a estas infra-estruturas afectam o seu bom funcionamento. Nesse capítulo faz-se ainda referência aos objectivos que se pretende atingir no âmbito deste trabalho, assim como da metodologia a seguir para a concretização dos mesmos. Por fim é realizada uma síntese sobre a organização da presente dissertação. Ana Filipa Mota Mortinho 3

20 Introdução No Capítulo 2 apresenta-se uma pesquisa bibliográfica sobre o tema a ser tratado, definindo o conceito de infiltração, descrevendo a origem e natureza dos caudais de infiltração, os tipos de infiltrações, os factores que influenciam a ocorrência destes caudais, assim como o seu impacto nos sistemas de drenagem de águas residuais, sendo por fim realizada uma análise de custos. Este Capítulo encontra-se estruturado da seguinte forma: Definição de infiltração; Origem e natureza dos caudais de infiltração; Caudais de infiltração com origem directa na precipitação; Caudais de infiltração com origem indirecta na precipitação; Factores que influenciam a ocorrência de infiltrações; Impacto da infiltração nos sistemas de drenagem de águas residuais; Análise de Custos. No Capítulo 3 faz-se uma breve análise sobre o controlo e quantificação da infiltração em sistemas de drenagem de águas residuais, apresentando-se alguns métodos e abordagens que permitem a sua estimativa. Este Capítulo encontra-se organizado da seguinte forma: Controlo da infiltração; Quantificação da infiltração; Métodos baseados em medições de caudal; Métodos baseados em traçadores; Abordagem de similaridade; Recomendação da ERSAR; Outros critérios para a quantificação das infiltrações. No Capítulo 4 é realizada uma análise sobre os indicadores de desempenho que permitem quantificar o desempenho dos sistemas no que respeita aos caudais de infiltração. No Capítulo 5 encontra-se a descrição e análise do estudo de caso que foi desenvolvido. Finalmente, no Capítulo 6 apresentam-se as considerações finais da presente dissertação. 4

21 CAPÍTULO 2 2. AVALIAÇÃO DA INFILTRAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS 2.1 Definição de Infiltração Entende-se por infiltração, toda a água limpa que legal ou ilegalmente aflui ao colector de águas residuais domésticas. A infiltração é o conceito utilizado para avaliar o caudal que entra nos sistemas de drenagem proveniente dos lençóis freáticos, e os caudais que têm acesso directo à rede, resultantes da ocorrência de eventos pluviométricos. Os caudais de infiltração afectam fortemente o desempenho dos sistemas de drenagem de águas residuais assim como o das estações de tratamento. Deste modo, torna-se necessário estudar a origem e a natureza destes caudais, identificando as principais causas e factores que influenciam a afluência destes aos colectores. Estes caudais são de difícil controlo o que torna praticamente impossível a sua eliminação na totalidade, no entanto, torna-se desejável que estes permaneçam em valores baixos. Figura Ocorrência de infiltrações Ana Filipa Mota Mortinho 5

22 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais 2.2 Origem e Natureza dos Caudais de Infiltração Os caudais de infiltração são provenientes das águas residuais pluviais, ou simplesmente águas pluviais, sendo estas constituídas por águas resultantes da precipitação. A infiltração nos sistemas de drenagem de águas residuais domésticas ocorre através da entrada de água nas câmaras de visita e na própria tubagem. A água tem acesso à rede através das câmaras de visita, devido a problemas de ligação às tubagens, através das tampas que não são totalmente estanques, através de fissuras no seu próprio corpo ou das juntas dos anéis que o formam, e através de fissuras na soleira. Na Figura 2.2 são apresentados alguns exemplos de câmaras de visita. Figura Exemplos de câmaras de visita (Sousa, 2009) 6

23 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2 No entanto, a água entra também na rede pelas tubagens, devido à existência de deficiências estruturais, relacionadas com a rotura das canalizações, nomeadamente a abertura das juntas, fracturas e fadiga dos materiais utilizados nas redes principais e nos ramais domiciliários. Através da Figura 2.3 é possível analisar a evolução do estado estrutural de um colector influenciado pela infiltração. Fase 1 Junta mal vedada ou conexão lateral; defeitos visíveis: juntas abertas e infiltração. Fase 2 Aumento da infiltração e da exfiltração, instabilidade da vala ou trincheira conduzindo ao deslocamento das tubagens; defeitos visíveis: desconexão, inversão da inclinação, depressão e infiltração. Fase 3 Existência de cargas desiguais devido aos deslocamentos conduzindo a fissuras e defeitos nos tubos; defeitos visíveis: juntas abertas e deslocadas, fissuras, fracturas, depressão, inversão da inclinação. Figura Evolução do estado estrutural de um colector (Franz, 2007) Deste modo, quando ocorre precipitação, os caudais de infiltração afluem directamente à rede através das câmaras de visita ou dos colectores. No entanto, na maioria das vezes, os caudais entram directamente na rede, devido à existência de ligações indevidas, resultantes da ligação da rede predial pluvial à rede pública doméstica. Ana Filipa Mota Mortinho 7

24 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais Na Figura 2.4 é apresentado um esquema que exemplifica algumas ligações indevidas, nomeadamente a ligação da rede predial pluvial à rede pública doméstica. Figura Esquema demonstrativo de ligações indevidas (Concordma, s.d.) Quando não ocorre precipitação, a água subterrânea acumulada durante a ocorrência de um dado evento pluviométrico aflui ao colector por efeito da subida do nível freático. Deste modo, a água atinge o colector devido essencialmente à existência de problemas de degradação na própria tubagem, assim como na parte inferior das câmaras de visita (soleira). Na Figura 2.5 é possível analisar o efeito da subida do nível freático. Figura Esquema demonstrativo do efeito da subida do nível freático (Adaptado de Franz, 2007) 8

25 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2 Por análise da Figura 2.5 é possível verificar que quanto maior for a subida do nível freático, isto é, quanto maior for o desnível Δh, maior será o caudal de infiltração que entra num determinado orifício (fissura). Nesta situação, em que existe a subida do nível freático, é possível verificar que a rede de colectores regista uma maior afluência de caudais de infiltração, uma vez que a extensão de colectores é habitualmente maior do que a extensão dos emissários e interceptores. No entanto, são as redes de emissários e interceptores que transportam maiores valores de caudal em comparação com a rede de colectores dos sistemas em baixa. Mas é na rede de colectores dos sistemas em baixa onde se verifica um maior número de câmaras de visita, bem como de ligações indevidas, sendo portanto onde ocorrem a maior parte das afluências indevidas (Amorim, 2007). Os caudais de infiltração que atingem a rede de drenagem de águas residuais domésticas distinguem-se em dois grupos essenciais. A distinção entre estes dois grupos é feita tendo em conta a forma como a infiltração se relaciona com a ocorrência de um dado evento pluviométrico. Então, existe um grupo de caudais de infiltração que manifesta uma relação directa e imediata no tempo com a precipitação, e existe outro grupo que não ocorre de forma directa no tempo após a ocorrência de precipitação, contudo depende desta (Almeida et al., 2004). No Quadro 2.1 apresenta-se de forma sintetizada, a origem e os tipos de caudais de infiltração, assim como a principal causa que leva ao seu aparecimento. Quadro Origem, tipos e causa de infiltração Origem Tipos Causa Directa Indirecta - Escoamento Directo - Drenagem Rápida Existência de eventos pluviométricos Posição do nível freático em relação ao colector Caudais de infiltração com origem directa na precipitação Os caudais de infiltração provenientes directamente da ocorrência de eventos pluviométricos podem diferenciar-se em: Escoamento directo; Drenagem rápida. Ana Filipa Mota Mortinho 9

26 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais Escoamento directo Os caudais provenientes do escoamento directo surgem quando ocorre precipitação e desaparecem pouco tempo após esta parar. Estes caudais representam, assim, um efeito curto no tempo, da bacia de drenagem a um evento pluviométrico (Almeida et al., 2004). Após a ocorrência de precipitação, a permanência destes caudais pode variar de minutos a algumas horas. Assim, a existência destes caudais depende da duração e da intensidade de um dado evento pluviométrico. Quanto maior for a duração e intensidade da precipitação maior será o tempo de permanência destes caudais. A precipitação tem uma distribuição temporal aleatória, uma vez que esta ao longo do tempo não é constante, isto é, não está sempre a chover. Assim, como o escoamento directo resulta da ocorrência de um dado evento pluviométrico é possível afirmar que este apresenta igualmente uma distribuição temporal aleatória. Apenas existe caudal resultante do escoamento directo quando ocorre precipitação, na ausência desta não existe este tipo de caudais. Este tipo de infiltrações é facilmente detectável na rede, uma vez que ocorre em pontos localizados da mesma. São os caudais resultantes do escoamento directo que conduzem a caudais de ponta consideravelmente elevados. O caudal máximo descarregado nos descarregadores de tempestade deve-se ao acesso de caudais resultantes directamente da precipitação às redes de drenagem. Os caudais resultantes do escoamento directo devem-se essencialmente à existência de ligações ilícitas de ramais de descarga de águas pluviais a colectores separativos de águas residuais domésticas. Drenagem rápida Os caudais provenientes da drenagem rápida resultam fundamentalmente da percolação da água através do solo, a qual é escoada pelos colectores mesmo antes de contribuir para a alimentação de aquíferos. A drenagem rápida representa uma resposta rápida e directa à ocorrência de precipitação. Após grandes períodos de precipitação, os caudais resultantes da drenagem rápida tornam-se bastante expressivos. Em função das condições geológicas locais, das características da precipitação, assim como do estado hídrico do solo, o tempo de resposta dos caudais de infiltração, em relação à ocorrência de precipitação, pode durar algumas horas ou mesmo alguns dias. É através das juntas ou fissuras existentes na rede ou mesmo através das câmaras de visita que os caudais resultantes da drenagem rápida atingem o colector. 10

27 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2 Em forma de conclusão, é possível afirmar que, quer os caudais resultantes do escoamento directo, quer os caudais resultantes da drenagem rápida, surgem logo após o início da precipitação e dissipam-se pouco tempo depois de esta cessar. Têm assim uma contribuição temporária de caudais de infiltração em sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais. Estas duas parcelas (escoamento directo e drenagem rápida) conduzem a caudais de ponta muito elevados, os quais se podem verificar nas estações de tratamento em períodos de ocorrência de precipitação (Almeida et al., 2004). A Figura 2.6 ilustra a influência directa da precipitação no caudal afluente à ETAR da Zona Urbana na Figueira da Foz no mês de Dezembro de As medições da precipitação diária são feitas às 9:00 horas de cada dia, pelo que poderão ser mais representativas do que choveu no dia anterior ao do registo. Figura Exemplo demonstrativo da relação da precipitação com a infiltração directa Da análise da Figura 2.6 é possível verificar que existe uma clara correspondência do aumento de caudal com as precipitações mais elevadas. Assim, quanto maior for a intensidade e duração da precipitação maior irá ser o caudal afluente à ETAR. O aumento do caudal afluente à ETAR da Zona Urbana deve-se essencialmente à existência de infiltrações directas, uma vez que parte significativa da rede que drena para a respectiva ETAR é do tipo unitário. É ainda possível observar um decaimento generalizado dos caudais nos dias seguintes à Ana Filipa Mota Mortinho 11

28 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ocorrência de precipitação. Este decaimento pode ter interpretação no efeito da drenagem rápida na rede Caudais de infiltração com origem indirecta na precipitação Os caudais resultantes da infiltração indirecta têm origem nos aquíferos, os quais são alimentados durante a ocorrência de um dado evento pluviométrico. Assim, esta forma de infiltração apresenta uma relação indirecta com a precipitação. A existência destes caudais é condicionada pela posição do nível freático em relação ao nível das infra-estruturas enterradas. Assim, se o nível freático se encontrar acima da cota de soleira dos colectores é provável que ocorra infiltração indirecta. Os caudais resultantes da infiltração indirecta tendem a permanecer ao longo do tempo, não sendo muito afectados pela ocorrência de eventos pluviométricos isolados. São caudais que permanecem geralmente constantes ao longo do dia e apresentam uma variação fundamentalmente sazonal. É principalmente através das juntas ou fissuras existentes nas tubagens que os caudais de infiltração indirecta entram no colector. Sendo assim, apresentam contribuições difusas no espaço, uma vez que as juntas ou fissuras se encontram ao longo de toda a rede de colectores. Os sistemas de drenagem que induzem o aparecimento de infiltrações são, entre outros (Amorim, 2007): Os que se desenvolvem em condições precárias (em relação ao solo que envolve a tubagem); Os que se desenvolvem abaixo de linhas de água; Os que se localizam em ambientes marinhos ou estuarinos; Os que se localizam num plano inferior aos colectores de águas pluviais; Os que apresentam ligações laterais a propriedades privadas (deficiências das tubagens e/ou ligações indevidas); Os que apresentam falhas de construção. Com os caudais mensais das ETAR de Taveiro em Coimbra e das Alhadas na Figueira da Foz é possível ilustrar a variação do caudal afluente com a altura do ano. 12

29 Volume mensal (m 3 ) Volume mensal (m 3 ) Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2 Nas Figuras 2.7 e 2.8 é possível analisar essa mesma variação para o ano de Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Figura Variação do caudal afluente à ETAR de Taveiro com a altura do ano Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Mês Figura Variação do caudal afluente à ETAR das Alhadas com a altura do ano Ana Filipa Mota Mortinho 13

30 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais Por análise das figuras apresentadas anteriormente é possível verificar que é nos meses de Inverno que existe um maior volume afluente à ETAR, uma vez que são nesses meses que a precipitação ocorre de forma mais significativa originando infiltrações directas. Nos restantes meses existe uma diminuição do volume afluente à ETAR, uma vez que nesses meses normalmente não ocorre precipitação pelo menos de forma tão intensa como nos meses de Inverno. Assim, nos meses de Verão normalmente não existem infiltrações directas, pelo menos com valores tão consideráveis como nos meses de Inverno, pelo facto de existir uma diminuição da ocorrência de precipitação, acabando sempre por existir infiltrações indirectas. 2.3 Factores que Influenciam a Ocorrência de Infiltrações As afluências indevidas são influenciadas pela existência de eventos pluviométricos, pelo estado de degradação do sistema de drenagem, o qual poderá variar de um local para o outro, pela existência de ligações ilícitas, bem como pela posição do nível freático, a qual poderá sofrer alterações significativas em função das estações do ano. Assim, é possível verificar que os caudais de infiltração apresentam uma variação quer espacial quer temporal. A água entra nas redes de drenagem devido à existência de deficiências estruturais na própria tubagem, bem como nas juntas, devido ao aparecimento de ligações domésticas pluviais e através das câmaras de visita, nomeadamente através da tampa, do seu próprio corpo e da soleira. Segundo WHITE et al. e GAMBOA et al., os factores que influenciam a ocorrência de infiltrações são (Gamboa et al., 2000; White et al., 1997): a posição dos elementos das redes relativamente ao nível freático, que apresenta variações sazonais; a percentagem do tempo em que o nível freático está acima da soleira dos elementos da rede de drenagem; o estado de conservação das redes de drenagem, particularmente dos colectores e câmaras de visita (dependente dos materiais usados, da idade do sistema, da presença de raízes, entre outros); o comprimento das redes, diâmetro dos colectores e número das câmaras de visita; a densidade de ramais de ligação; o tipo de solo e condições de assentamento dos colectores; a ocorrência de precipitação, pois esta induz um acréscimo da infiltração devido ao escoamento sub-superficial, que normalmente apresenta uma resposta mais rápida que 14

31 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2 a infiltração resultante do nível freático, e ainda contribui para a elevação do nível freático; as fugas das condutas de abastecimento público e dos colectores separativos pluviais. Os factores que influenciam a ocorrência de infiltrações directas são menos complexos do que aqueles que influenciam a ocorrência de infiltrações indirectas. Este aspecto deve-se ao facto de as infiltrações directas entrarem de forma directa e imediata no sistema de drenagem de águas residuais, ao contrário das infiltrações indirectas que, ao apresentarem uma relação indirecta com a precipitação, não entram de imediato no colector entrando assim ao longo do tempo. As infiltrações directas são influenciadas pela topografia. A topografia envolvente é condicionante na maior ou menor afluência de caudais de infiltração às redes de drenagem. Topograficamente, o terreno pode apresentar-se em cumeada ou em vale. Assim, quando o terreno se apresenta em cumeada a água resultante da precipitação afasta-se deste levando a que exista uma menor afluência de caudais de infiltração aos sistemas de drenagem. No entanto, se o terreno se apresentar em vale a água concentra-se neste conduzindo a maiores caudais de infiltração. O estado do sistema de drenagem é um factor que influencia em parte a ocorrência de infiltrações. A existência de ligações indevidas, ou seja, ligações de águas pluviais prediais à rede pública doméstica, aumenta directamente o caudal de infiltração. As águas pluviais podem ser resultantes do escoamento superficial bem como da drenagem de telhados, pátios e jardins. De forma a minimizar os caudais de infiltração é necessário ter em conta a idade dos colectores, bem como o seu estado de conservação, e os acessórios da rede. É facilmente compreensível que os sistemas de drenagem de águas residuais mais antigos apresentem maiores caudais de infiltração, em relação aos sistemas de drenagem de águas residuais mais recentes. Uma vez que nos primeiros é notável o seu mau estado de conservação devido à abertura de juntas por envelhecimento, e pelo facto de existirem fendas ou fissuras. No entanto, as infiltrações podem existir quer em sistemas de drenagem mais antigos, devido ao seu estado de degradação, quer em sistemas de drenagem mais recentes, devido a uma deficiente execução da rede. Na Figura 2.9 é possível verificar a existência de infiltrações devido ao envelhecimento e fissuras do colector. Ana Filipa Mota Mortinho 15

32 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais Figura Infiltrações com origem no envelhecimento e fissuras do colector (York, s.d.) O tipo de material utilizado e a forma de execução da rede são aspectos fundamentais para aumentar o tempo de vida útil dos sistemas de drenagem de águas residuais. Os materiais normalmente utilizados nos sistemas de drenagem de águas residuais são o PVC e o PP, os quais apresentam normalmente uma razoável durabilidade. Torna-se assim necessário utilizar materiais que apresentem uma boa qualidade ao nível da resistência, de forma a suportarem a compressão diametral induzida pelas cargas exteriores. Normalmente, os materiais utilizados nas redes de drenagem não suportam bem as compressões diametrais, principalmente se o assentamento do colector não for apropriado e o recobrimento mínimo regulamentar respeitado. Também no que diz respeito à qualidade da manutenção do sistema de drenagem, é necessário que na reparação de roturas e na substituição de tubagens exista algum cuidado na escolha dos materiais. É essencial a utilização de materiais adequados e que apresentem uma elevada qualidade. A existência de uma deficiente montagem do colector, dos acessórios da rede, assim como o aparecimento de um determinado assentamento, poderão provocar fendas não visíveis ou pontos sensíveis na tubagem, torção e deslocamento das juntas. A qualidade de construção torna-se extremamente importante, nomeadamente o tipo de juntas executadas, bem como a forma em que é efectuada a ligação entre os vários troços da tubagem. A existência de uma deficiente qualidade de execução poderá originar a ocorrência de infiltrações. A existência de assentamentos nas tubagens poderá conduzir à ocorrência de infiltrações indirectas. Para evitar ao máximo o assentamento dos colectores é necessário que exista alguma atenção ao tipo de material utilizado para o preenchimento da vala. O tipo de material utilizado poderá originar o movimento das tubagens. Então, se o solo se apresentar muito permeável a água ao atravessar este, a uma velocidade elevada, poderá provocar o arrastamento de finos, o que conduz ao movimento das tubagens, provocando consequentemente fissuras ou mesmo fadiga nos materiais utilizados nos sistemas de drenagem. Assim, também o assentamento do solo poderá provocar a ocorrência de 16

33 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2 infiltrações. Este assentamento poderá ainda ter origem nos trabalhos decorrentes da construção do sistema de drenagem, bem como da perda de solo junto das tubagens. A disposição dos colectores e o modo de construção influenciam em parte a existência de afluências indevidas ao sistema de drenagem. O comprimento das redes, o diâmetro dos colectores e o número de câmaras de visita influenciam fortemente a existência de infiltrações. Assim, quanto maior for a extensão da rede, maior é a probabilidade de ocorrência de infiltrações, uma vez que estas ocorrem principalmente através das juntas e fissuras que existem ao longo do colector. As infiltrações ocorrem ainda através das câmaras de visita, logo quanto maior o número de câmaras de visita, maiores serão os valores para os caudais de infiltração. Por sua vez, quanto maior for o diâmetro dos colectores maior será o seu perímetro, logo maior será a extensão da junta, o que poderá originar maiores caudais de infiltração. É possível ainda analisar que quanto maior for o número de ramais de ligação, maiores serão os valores existentes para as infiltrações. Uma das principais causas da existência de infiltrações indirectas refere-se à posição do nível freático, o qual é variável. Assim, a subida no nível freático conduz à afluência de caudais de infiltração ao sistema de drenagem de águas residuais. A existência de fugas com origem nas condutas de abastecimento público, bem como as características do solo que se encontra na periferia, são aspectos importantes a ter em consideração. O aparecimento e acréscimo de fugas dependem das características do solo envolvente. A percolação de água de origem pluvial no solo ou as infiltrações provenientes de fugas nas condutas de abastecimento de água podem criar passagens preferenciais de escoamento com o arrastamento das partículas mais finas, em função da compacidade e do tipo de solo. Este fenómeno poderá provocar assentamentos diferenciais do colector ou mesmo, numa fase mais avançada, induzir a rotura do próprio colector. Figura Fuga e respectivo caudal infiltrado no sistema de drenagem Ana Filipa Mota Mortinho 17

34 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais As águas residuais agressivas podem corroer o material da tubagem originando fissuras bem como entrar em septicidade, isto é, não conterem oxigénio o que irá provocar a libertação de determinados gases. Deste modo, a presença de águas residuais agressivas e fenómenos de septicidade levam ao desenvolvimento de ataques químicos, que por sua vez proporcionam a ocorrência de infiltrações indirectas. A repetição continua de cargas pesadas sobre os colectores é outro factor importante, uma vez que a passagem sucessiva de veículos pesados sobre as tubagens pode provocar danos estruturais, nomeadamente o esmagamento ou fadiga antecipada do material. A entrada de caudais de infiltração nos sistemas de drenagem de águas residuais torna-se um problema importante a médio ou a longo prazo, levando a consequências significativas no seu desempenho quer a nível técnico quer a nível económico. Ao conhecer os factores que influenciam a existência destes caudais, é possível mantê-los em valores razoáveis, uma vez que se torna difícil a sua eliminação na totalidade, de forma a criar sistemas de drenagem com adequados desempenhos. 2.4 Impacto da Infiltração nos Sistemas de Drenagem de Águas Residuais Afluências indevidas significantes originam um grande impacto no desempenho dos sistemas de drenagem de águas residuais, tanto ao nível da sua eficiência como ao nível da sua eficácia. Segundo WHITE et al., os caudais de infiltração originam diversos problemas nos sistemas de drenagem, entre os quais é possível salientar (White et al., 1997): o aumento dos custos de operação, manutenção e, eventualmente, de investimento, quer em colectores, quer na ETAR; a redução da capacidade útil de transporte e tratamento, que contribui para a ocorrência de maiores descargas (maior frequência, duração ou caudal descarregado), inundações e, consequentemente, poluição dos solos e meios hídricos; a diminuição da eficiência de tratamento na ETAR; a possível entrada de sedimentos nos colectores, aumentando o fluxo de material sólido e potencialmente danificando as infra-estruturas e equipamentos. De uma forma geral, é possível estabelecer os principais problemas que os caudais de infiltração originam nos sistemas de drenagem. Originam problemas ao nível da saúde pública, da própria sociedade e do ambiente, criando ainda impacto ao nível económico e técnico. 18

35 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2 De forma a compreender e verificar que os caudais de infiltração perturbam significativamente o funcionamento dos sistemas de drenagem, foram realizados vários estudos por vários autores, os quais concluíram que: ELLIS, indica que, no Reino Unido, as ligações indevidas contribuem em média cerca de 30% a 40% da infiltração nas redes (Ellis, 2001); STEVENS, através da realização de um estudo em Nova Iorque, conclui que cerca de 50% do caudal afluente à ETAR tem origem na infiltração (Stevens, 1998); BELHADJ et al., em França, efectuou estudos experimentais os quais conduziram a valores para a infiltração na ordem dos 42% do caudal em tempo seco (Belhadj et al., 1995); GAMBOA et al., considera valores de infiltração em várias bacias de drenagem até 50% do caudal em tempo seco (Gamboa et al., 2000); Em Portugal, apesar de não ser prática corrente a realização de medições periódicas, a realização de eventuais inspecções dão indicação da existência significativa de caudais de infiltração, tanto nos colectores como em câmaras de visita (Cardoso et al., s.d.). 2.5 Análise de Custos Os caudais de infiltração afectam significativamente o desempenho dos sistemas de drenagem de águas residuais, nomeadamente no que se refere ao seu funcionamento/comportamento. Deste modo, é necessário reunir esforços no sentido de tentar reduzir ao máximo a ocorrência de afluências indevidas à rede de drenagem. Assim, do ponto de vista económico, a redução dos caudais de infiltração está associada a determinados custos que, em certos casos, podem ser considerados significantes. Também ao próprio sistema de drenagem estão associados alguns custos, directamente relacionados com a existência de infiltrações. Então, torna-se importante reduzir a ocorrência de infiltrações, uma vez que a redução destas conduz a um melhor desempenho por parte dos sistemas de drenagem e por sua vez a uma diminuição dos custos. Os custos podem ser divididos em custos operacionais, de manutenção e de investimento (Amorim, 2007). Custos operacionais Os custos operacionais, tal como o nome indica, são custos que estão associados à operação das redes de drenagem, ou seja, ao seu funcionamento. Ana Filipa Mota Mortinho 19

36 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais Estes custos são geralmente divididos em (Amorim, 2007): Custos de bombeamento; Custos de tratamento. Estas designações resultam do facto de existir uma afluência a estas instalações (bombas e estações de tratamento de águas residuais) de caudais excedentários. A existência de infiltrações nos sistemas de drenagem conduz a um aumento do caudal a ser bombeado tendo como consequência um aumento dos custos de bombeamento. Estes custos podem ser estimados através do conhecimento do caudal bombeado e da altura de elevação dos grupos electrobomba. Os custos de tratamento resultam essencialmente da existência de um maior volume de água a ser tratado nas estações de tratamento de águas residuais (ETAR). Deste modo, os custos tratamento estão relacionados com os custos de arejamento, com a adição de produtos químicos e com caudal bombeado. Numa ETAR as águas residuais passam por vários processos de tratamento com o intuito de separar ou diminuir a quantidade de matéria poluente da água. Entre os vários processos de tratamento existentes, é o tratamento secundário que conduz à existência de custos de arejamento. O tratamento secundário consiste num processo biológico onde a matéria orgânica poluente é consumida por microrganismos nos chamados reactores biológicos. Estes reactores são normalmente constituídos por tanques onde existe uma grande quantidade de microrganismos aeróbios, existindo assim a necessidade do seu arejamento. O arejamento consiste no fornecimento de ar através da utilização de arejadores (mecânicos ou difusores de ar comprimido). Assim, a ocorrência de infiltrações conduz à afluência de maiores caudais à ETAR o que pode significar, também, o aumento da carga de poluentes. Como consequência, poderá ser necessário fornecer uma maior quantidade de ar, originando um aumento dos custos de arejamento. Numa ETAR, o nível mínimo de tratamento exigível é o tratamento primário, no qual a matéria poluente é separada da água por sedimentação nos decantadores primários. Este processo exclusivamente de acção física pode, em alguns casos, ser ajudado pela adição de produtos químicos que, através de uma coagulação/floculação, possibilitam a obtenção de flocos de matéria poluente de maiores dimensões e assim mais facilmente sedimentáveis. Deste modo, ao existir uma afluência de maiores caudais à ETAR, consequência da ocorrência de infiltrações, leva a que exista uma maior adição de produtos químicos que, por sua vez, origina um aumento dos custos de tratamento. As infiltrações nos sistemas de drenagem conduzem à afluência de maiores caudais às estações de tratamento, levando a que exista um maior volume de água a ser bombeado. O 20

37 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2 caudal bombeado corresponde à necessidade de vencer desníveis entre os diversos órgãos de tratamento que constituem a ETAR. Deste modo, é possível afirmar que o caudal bombeado é directamente proporcional ao número de etapas de elevação existentes na ETAR. Assim, o aumento do caudal a ser bombeado origina maiores custos de tratamento. Custos de manutenção Os custos de manutenção estão associados às operações que se têm de realizar para que as redes de drenagem apresentem um bom estado de conservação. Assim, torna-se importante realizar a manutenção da rede de drenagem de modo a verificar a existência ou não de deficiências estruturais, nomeadamente fissuras ou fracturas, propícias à ocorrência de infiltrações. Deste modo, os custos de manutenção estão essencialmente relacionados com a necessidade de reabilitar ou substituir tubagens. Os custos de manutenção são de difícil determinação uma vez que existe dificuldade em contabilizar de forma precisa o caudal de infiltração afluente a um dado sistema de drenagem, bem como verificar se o colector tem capacidade suficiente para suportar estas afluências. Custos de investimento A redução das afluências indevidas ao sistema de drenagem tem como consequência a diminuição dos custos de investimento ou custos de capital, pelo menos numa fase inicial. Assim, a redução da infiltração pode diminuir os custos de investimento inicial necessários, pelo facto de se reduzir o diâmetro das tubagens, o tamanho dos descarregadores de tempestade, assim como a dimensão das unidades de tratamento. Para se determinar os custos associados à redução dos caudais de infiltração é necessário contabilizar os custos das seguintes etapas (Amorim, 2007): Realização de estudos incluindo investigações, recolha de dados, estimativa dos caudais de infiltração, bem como a modelação hidráulica, a qual permite um conhecimento mais preciso do funcionamento do sistema de drenagem; Realização de medições in-situ: Medições de caudal com o recurso a um caudalímetro; Medições de precipitação com o recurso a um udómetro; Medição do nível freático com o recurso a uma sonda de nível. Ana Filipa Mota Mortinho 21

38 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais Realização de inspecções e testes para a detecção da origem das infiltrações: Inspecção Vídeo (CCTV - Closed Circuit Television) tem como objectivo a identificação e prevenção de anomalias, obstruções e colapsos nas tubagens. A inspecção de vídeo é realizada com o auxílio de um robot, o qual permite fazer uma inspecção do estado de conservação dos colectores e câmaras de visita, identificar a origem de eventuais problemas, permitindo assim a realização de intervenções neste sentido. Figura Exemplo de uma inspecção de vídeo (York, s.d.) Inspecção das câmaras de visita tem como objectivo permitir a inspecção e limpeza dos colectores, a remoção de obstruções bem como a verificação das características de escoamento e da qualidade das águas residuais. Esta inspecção pode auxiliar na detecção de possíveis origens para as infiltrações. Figura Exemplo de uma inspecção numa câmara de visita (York, s.d.) 22

39 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2 Recurso a testes de fumo consistem essencialmente em tapar cada secção do colector e em seguida injectar numa dessas secções fumo. Assim, o colector irá ficar todo ele ocupado por fumo. O fumo existente no colector irá passar por sua vez para o ramal de ligação, podendo surgir através de ralos de pavimento ou no topo dos tubos de queda pluviais no caso de existirem ligações indevidas. Assim, se existir alguma ligação indevida este teste permite a sua rápida identificação. Figura Exemplos de testes de fumo (CRD, s.d.; York, s.d.) Execução de testes de estanqueidade consistem essencialmente na colocação de um balão em cada extremidade do colector, de seguida injecta-se numa dessas extremidades água sob pressão. Quando o colector se encontrar cheio de água mede-se a pressão com o auxílio de um manómetro. Assim, se existir uma diminuição da pressão significa que o colector não se encontra estanque, ou seja, existem anomalias no colector (fissuras ou juntas mal executadas) através das quais poderão vir a ocorrer infiltrações. Redução da infiltração directa verificação das tampas das câmaras de visita com vista a promover uma adequada vedação e estanqueidade das mesmas. É necessário ainda eliminar as ligações das redes prediais pluviais às redes públicas domésticas; Redução da infiltração indirecta renovação e substituição das redes de drenagem. Ana Filipa Mota Mortinho 23

40 Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais A Figura 2.14 permite realizar algumas reflexões acerca da optimização do custo associado à redução da infiltração numa rede de drenagem. Figura Optimização do custo associado à redução da infiltração numa rede de drenagem (Amorim, 2007) Por análise da Figura 2.14, é possível verificar que quanto maior for a ocorrência de infiltrações maiores serão os custos relacionados com o transporte e o tratamento. Esta análise refere-se, assim, à recta que representa o custo da afluência dos caudais de infiltração à rede de drenagem separativa. Para diminuir a afluência de caudais de infiltração à rede de drenagem é necessário investir na reabilitação das redes, para assim reduzir a existência de infiltrações indirectas, bem como realizar campanhas para a detecção e eliminação de ligações indevidas, as quais contribuem para a existência de infiltrações directas. Esta análise é traduzida pela curva exponencial (Custo de redução da infiltração), na qual a tentativa de reduzir a infiltração para valores próximos de zero conduziria a um custo bastante elevado. O custo total da infiltração, que resulta da soma das duas curvas anteriores, apresenta um mínimo que corresponde ao Nível Económico Óptimo de Infiltração. 24

41 CAPÍTULO 3 3. CONTROLO E QUANTIFICAÇÃO DA INFILTRAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM 3.1 Controlo da Infiltração Em alguns casos a ocorrência de infiltração é bastante clara e facilmente detectável. Contudo, na maioria das vezes a ocorrência de infiltração não é constante ao longo do sistema, sendo indispensável identificar as zonas mais críticas. Normalmente a redução/controlo dos caudais de infiltração envolve várias tarefas, nomeadamente (Cardoso et al., s.d.): a quantificação dos caudais de infiltração e identificação de zonas prioritárias; a detecção das principais causas e dos elementos estruturais críticos; a escolha das tecnologias adequadas a cada patologia; a reabilitação dos troços de acordo com as prioridades definidas. Desta forma, não conseguindo eliminar os caudais de infiltração totalmente torna-se muito importante identificá-los para que assim se possa proceder ao controlo dos mesmos. 3.2 Quantificação da Infiltração A quantificação do caudal de infiltração torna-se bastante difícil sendo por vezes incerta. O caudal de infiltração não pode ser medido directamente uma vez que a água ao infiltrar-se no colector se mistura com os outros componentes residuais existentes. Existem bastantes dificuldades na estimativa dos caudais de infiltração, considerando-se desta forma uma problemática bastante evidente e de alguma preocupação. Assim, é necessário reunir esforços com o intuito de perceber as suas origens e as suas causas, para depois actuar no sentido da sua eliminação ou pelo menos redução. O problema da avaliação da infiltração coloca-se quer na fase de projecto quer na fase de exploração. Na fase de projecto quando se quantifica os caudais de dimensionamento e na fase de exploração quando se estima o desempenho do sistema em termos técnicos e económicos. Os critérios de cálculo existentes para a determinação das infiltrações são variados, conduzindo por vezes a valores bastante diversos. Ana Filipa Mota Mortinho 25

42 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem Na quantificação das infiltrações é necessário ter em conta as condições do solo, a idade dos colectores, os materiais dos colectores e das câmaras de visita, assim como eventuais medições realizadas em diferentes períodos do ano. A avaliação da infiltração considera-se bastante importante na realização de projectos de reabilitação para avaliar o desempenho antes e depois da intervenção. WHITE, através de estudos realizados na Inglaterra, considera que a infiltração pode ser estimada como sendo igual a 45% do caudal em tempo seco (White et al., 1996). O caudal em tempo seco na terminologia anglo-saxónica é conhecido por dry weather flow (DWF). O caudal em tempo seco é o caudal que é transportado num sistema de drenagem com a excepção do caudal proveniente directamente de um dado evento pluviométrico, ou seja, o caudal proveniente das infiltrações directas. Assim: Figura Esquema das componentes do caudal total de água residual (Franz, 2007) O caudal médio diário em tempo seco (DWF) pode ser determinado pela seguinte expressão: DWF = (3.1) 26

43 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 em que: DWF Caudal médio diário em tempo seco (m 3 /d); P População servida (hab); C Capitação média de águas residuais (m 3 /hab.dia); I Infiltração indirecta (m 3 /d); E caudal industrial descarregado em 24 horas (m 3 /d). Sempre que necessário é possível adicionar às parcelas referidas anteriormente uma componente de descarga comercial. Assim, com base na expressão apresentada anteriormente (3.1) é possível determinar o caudal médio diário, que na prática varia ao longo do tempo. Então, segundo os estudos realizados por WHITE (White et al., 1996): I = 0,45 x DWF = 0,45 x (P ) (3.2) Desenvolvendo a equação anterior em função da infiltração (I): I = 0,45 PC + 0,45 I + 0,45 E I - 0,45 I = 0,45 PC + 0,45 E 0,55 I = 0,45 (PC + E) (3.3) Obtém-se: I = 0,8 x (PC + E) (3.4) Ana Filipa Mota Mortinho 27

44 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem 3.3 Métodos Baseados em Medições de Caudal Método do triângulo O método do triângulo é utilizado para contabilizar as várias componentes (água residual, infiltração directa e infiltração indirecta) do caudal afluente a uma dada estação de tratamento de águas residuais (ETAR). O método do triângulo é um método gráfico baseado em medições diárias. No eixo vertical do referido gráfico encontra-se representado o volume diário em percentagem do valor máximo observado, e no eixo horizontal a percentagem de tempo do período considerado no estudo (Figura 3.2). Este método baseia-se na organização de séries cronológicas em séries de caudais classificados, sendo aplicado aos caudais afluentes às ETAR. Assim, ao recorrer a uma curva de caudais classificados (representada a vermelho na Figura 3.2) torna-se possível estimar os volumes gerados por cada uma das componentes, no final de uma série temporal, através da separação das áreas na curva de caudais classificados que são equivalentes aos volumes de infiltração indirecta e de infiltração directa. A aplicação do respectivo método implica a ordenação e representação dos caudais diários, registados nas ETAR, por ordem crescente de grandeza e em percentagem do valor máximo verificado no período considerado no estudo. A água residual (doméstica, comercial e industrial) é determinada pelo quociente entre a média diária de água residual e o valor máximo observado (%). A média diária de água residual é estimada em função do volume de água residual. Este é determinado pelo produto entre a água facturada de um dado Concelho, a influência de uma dada ETAR e um factor de afluência. A média diária de água residual é obtida pelo quociente entre o volume de água residual e o período de tempo considerado no estudo. Assim, assume-se que a água residual (doméstica, comercial e industrial) se mantém constante ao longo do tempo, sendo portanto representada no gráfico através de uma linha horizontal (representada a castanho na Figura 3.2). Então, a área do gráfico que se encontra abaixo desta linha horizontal representa o volume anual de água residual. A área compreendida entre a curva de caudais classificados e esta linha horizontal corresponde ao volume anual excedente que aflui à ETAR, isto é, ao volume de infiltração (directa e indirecta). A divisão das componentes de infiltração directa e indirecta é conseguida admitindo que a componente de infiltração directa atinge o seu máximo após a ocorrência de precipitação, e que a infiltração indirecta é tanto menor, ou em alguns casos nula, quanto maior for a componente relacionada directamente com a precipitação, uma vez que, nestas situações, 28

45 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 poderá até ocorrer exfiltração. A exfiltração consiste na saída de água residual proveniente de um ramal de ligação ou de um sistema de drenagem de águas residuais para o solo envolvente (Matos et al., 2004). Através da análise dos registos de caudais nas ETAR, bem como da precipitação, é possível contabilizar os dias em que ocorre precipitação assim como os dias seguintes em que o seu efeito ainda é notório. Assim, a percentagem de dias com chuva é igual ao quociente entre os dias de chuva e o período considerado no estudo, e a percentagem de dias com sol é igual ao quociente entre os dias de sol e o período considerado no estudo. Na Figura 3.2 os dias de chuva são marcados em percentagem, da direita para a esquerda, e o ponto de intersecção da respectiva abcissa com a curva de caudais totais corresponde ao início da linha de separação. A linha de separação corresponde à linha representada a amarelo na Figura 3.2, isto é, a linha que se encontra entre a área preenchida a azul claro e a área preenchida a azul escuro. O final desta linha diz respeito à intersecção, à direita, com a linha horizontal da água residual (representada a castanho na Figura 3.2), a qual intersecta a abcissa dos 100%. Através da análise da Figura 3.2 é possível verificar que a área que se encontra preenchida a azul claro corresponde ao volume de infiltração directa, enquanto que a área que se encontra preenchida a azul escuro corresponde ao volume de infiltração indirecta. Figura Representação esquemática do método do triângulo Ana Filipa Mota Mortinho 29

46 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem Balanço anual O balanço anual de um sistema de drenagem de águas residuais pode ser obtido pela seguinte expressão (Franz, 2007): V I = V DWF (V água captada - V água exportada - V água perdida - V água armazenada ) x fa +V água residual, perdida (3.5) em que: V I volume de infiltração indirecta; V DWF volume anual correspondente ao caudal em tempo seco; V água captada volume de água captada; V água exportada volume de água exportada; V água perdida volume de água perdida; V água armazenada volume de água armazenada; V água residual, perdida volume de água residual perdida (exfiltrações); fa factor de afluência. Para a aplicação do respectivo método é necessário que as condições de fronteira, espaciais e temporais, em que se realizam as medições sejam idênticas. Caso contrário as respectivas condições terão de ser ajustadas. Os dados relativos à área analisada podem ser recolhidos a vários níveis, drenagem total vs sub-bacias, ano vs mês, permitindo assim uma melhor quantificação da infiltração. Este método pode considerar-se menos exacto uma vez que os dados relativos ao volume de água perdida e de exfiltração são incertos (Franz, 2007). Por aplicação do método do balanço anual é possível obter uma estimativa grosseira da infiltração anual Método do caudal mínimo Os caudais resultantes da infiltração indirecta podem ser estimados através do método do caudal mínimo. Este método baseia-se na medição do caudal mínimo para o qual se torna necessária a análise dos caudais em tempo seco durante as primeiras horas do dia (madrugada), uma vez que é durante este período que o caudal de água residual exibe valores mais baixos, atingindo o 30

47 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 valor mínimo diário. Assim, as medições do caudal mínimo devem ser realizadas preferencialmente entre as 2 e as 4 da manhã, bem como aos fins de semana de forma a evitar a influência industrial (Amorim, 2007). São os registos realizados para os caudais em tempo seco durante os vários períodos do dia que permitem estimar o caudal médio diário em tempo seco e o caudal mínimo diário em tempo seco, o qual corresponde ao período nocturno. Existem autores que defendem a ideia de que a infiltração é igual ao caudal mínimo nocturno. No entanto existem outros que consideram que uma parte do caudal mínimo nocturno corresponde a água residual, enquanto que a outra parte corresponde a infiltrações. Assim, durante a ocorrência do caudal mínimo em tempo seco, por vezes considera-se que 10% do seu valor corresponde a água residual, isto é, P (Amorim, 2007). O caudal médio medido em 24 horas (Ave) corresponde a toda a água afluente à ETAR sendo assim igual: em que: água residual = P ; Ave = água residual + infiltração (3.6) infiltração (I) = Cmin (1 - % AR). sendo: Cmin caudal mínimo nocturno (medido); % AR percentagem de água residual. Tendo em conta a expressão 3.6 a infiltração é igual a: I = Ave água residual (3.7) Em zonas onde os caudais são baixos e o incremento destes se verifica para alguns litros/segundo, pode afirmar-se que a estimativa do caudal mínimo nocturno se torna difícil. Nestas situações, recorre-se à utilização de medidores de caudal ultra-sónicos, os quais possibilitam o registo dos valores de caudal com alturas de escoamento bastante reduzidas. Ana Filipa Mota Mortinho 31

48 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem Método do caudal em tempo seco Os caudais resultantes da infiltração indirecta podem também ser estimados através da aplicação do método do caudal em tempo seco. Este método consiste na determinação dos valores de PC (população servida e capitação média de águas residuais) e de E (caudal industrial descarregado em 24 horas). Posteriormente estes valores são subtraídos ao caudal medido em tempo seco (DWF= P durante um período de 24 horas. O caudal médio em tempo seco (DWF) é determinado com base nos registos do caudal em tempo seco à entrada da ETAR (Amorim, 2007). Considera-se que a água consumida e a água residual produzida estão intimamente relacionadas. Assim, admite-se que cerca de 80% da água consumida é enviada para a rede de drenagem. Desta forma, o valor de C (capitação média de águas residuais) pode ser conseguido através do registo da água consumida. A capitação média de águas residuais depende de alguns factores, nomeadamente, o tamanho do agregado, os hábitos de higiene da população, a disponibilidade de água, a estrutura populacional assim como as alterações climáticas. Em relação à quantificação do caudal industrial (E), este depende da existência do registo de caudais industriais descarregados na rede. As licenças de descarga definem geralmente um valor para o caudal máximo que pode ser descarregado, o que na prática pode não o ser. Preferencialmente, num período de 24 horas, deverá ter-se o registo dos caudais industriais descarregados. Não esquecer que o caudal em tempo seco, para além da componente relativa à contribuição doméstica e industrial, em certas situações poderá também ter de contar com a componente relativa à descarga comercial. Os estabelecimentos considerados como comerciais podem ser, entre outros, escolas, centros comerciais assim como escritórios. Uma vez que na prática o referido anteriormente é de difícil aplicação, o caudal industrial e comercial pode ser quantificado com base nos consumos de água. Assim, colocando caudalímetros (contadores de água consumida) à entrada de cada um dos estabelecimentos o caudal industrial e comercial pode ser estimado pelo produto entre a água consumida e o factor de afluência Método do mínimo móvel O método do mínimo móvel é baseado em medições diárias. Este método não consiste em realizar medições pontuais mas sim um conjunto de medições durante um determinado período de tempo (Franz, 2007). 32

49 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 Deste modo, é com base nos registos dos caudais diários afluentes a uma dada ETAR que se torna possível a aplicação do método do mínimo móvel. O resultado deste método é apresentado através de um hidrograma, tal como demonstrado na Figura 3.3. Assim, na Figura 3.3 encontra-se um esquema representativo da aplicação do método do mínimo móvel. A linha representada a azul corresponde ao volume diário afluente a uma determinada ETAR. O mínimo móvel corresponde ao caudal mínimo de águas residuais, estando representado na Figura 3.3 pela cor vermelha. Considera-se que o período utilizado para retirar o valor do caudal mínimo de águas residuais é de 21 dias (3 semanas), sendo uma boa forma de excluir o escoamento superficial a curto prazo, ou seja, excluir o conjunto de dias com influência directa de precipitação. Assim, utiliza-se um período de 21 dias pelo facto de este se considerar um período suficientemente longo para que haja pelo menos um dia sem influência directa de precipitação. Então, pelo menos um dia de tempo seco é suposto ser considerado no período escolhido. Assim, assume-se que o caudal em tempo seco é igual ao caudal mínimo de águas residuais observado durante os últimos dias. É de notar que um período de tempo inferior aos 21 dias poderá conduzir a uma subestimação do caudal de infiltração, isto é, a um menor caudal de infiltração. Assim, o mínimo móvel corresponde ao menor valor existente num período de 21 dias. Este procedimento é aplicado ao longo do período de tempo considerado no estudo. Para quantificar o volume de infiltrações directas e indirectas é necessário previamente determinar o volume anual afluente à ETAR, o volume de água residual assim como o volume de água residual com infiltrações indirectas. O volume anual afluente à ETAR corresponde ao total do volume diário afluente a esta durante o período de tempo considerado no estudo. Para estimar o volume de água residual é necessário ter em consideração a água facturada de um dado concelho, a influência de uma determinada ETAR e o factor de afluência. Assim, o volume de água residual é obtido através do produto entre a água facturada, a influência da ETAR e o factor de afluência. A média diária de água residual é determinada com base no volume de água residual. Esta encontra-se representada na Figura 3.3 pela cor roxa, sendo obtida pelo quociente entre o volume de água residual e o período de tempo considerado no estudo. O volume de água residual com infiltrações indirectas corresponde ao total do caudal mínimo de águas residuais (mínimo móvel), podendo também ser obtido pelo produto entre a média do mínimo móvel e o período de tempo considerado no estudo. A média do mínimo móvel encontra-se representada na Figura 3.3 pela cor verde. Ana Filipa Mota Mortinho 33

50 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem O volume de infiltrações directas é obtido pela diferença entre o volume anual afluente a uma dada ETAR e o volume de água residual com infiltrações indirectas. O volume de infiltrações indirectas é obtido pela diferença entre o volume de água residual com infiltrações indirectas e o volume de água residual. Este método apresenta como principal vantagem o facto de incluir quer os períodos de chuva quer os períodos de tempo seco, sendo necessário seleccionar os dias de tempo seco como uma referência. Figura Representação esquemática do método do mínimo móvel Modelação das redes de drenagem A modelação das redes de drenagem consiste em criar um modelo da rede em estudo e calibrá-lo com base nos caudais em tempo seco (caudais sem influência directa da precipitação). Desta forma, como o caudal em tempo seco é igual a PC + I indirecta + E torna-se necessário determinar as parcelas PC e E. As parcelas PC e E são as mais fáceis de estimar. Estas podem ser estimadas com base nos respectivos consumos de água ou através da realização de medições. Ao introduzir no modelo 34

51 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 a distribuição espacial dos habitantes assim como as respectivas capitações, facilmente se estima as parcelas PC. Procedimento idêntico é realizado para estimar o valor de E. Ao introduzir directamente as suas estimativas no modelo em estudo, eventualmente obtidas a partir do consumo de água, é possível estimar a parcela E. Então, para a estruturar o modelo é necessário ter em conta alguns aspectos tais como: a população servida, o número de habitações, o tamanho dos aglomerados, os consumos de água, a existência de licenças de descarga, o registo de efluentes, o registo dos níveis freáticos e o registo do número de horas de bombagem dos grupos elevatórios. Assim, conhecendo os valores das parcelas PC e E e com base nos registos dos caudais em tempo seco facilmente se determina a infiltração indirecta (I indirecta ). Se o modelo descrever bem a geração de água residual, a diferença entre os caudais totais em cada secção e o caudal de água residual é o caudal de infiltração em cada secção (infiltração directa e infiltração indirecta). Então, é através da medição do caudal em vários pontos do sistema de drenagem que os modelos são calibrados, possibilitando assim a determinação da infiltração em cada ponto de medição. Quando ocorre precipitação, se houver registos do caudal, estes podem ser usados para comparar com os resultados do modelo em tempo seco e a diferença tem como resultado a infiltração directa. Assim, a infiltração indirecta é estimada com base nos caudais em tempo seco ao contrário da infiltração directa que é estimada com base nos caudais em tempo de chuva. Quando se recorre à modelação dos sistemas de drenagem para quantificar a infiltração é necessário ter em conta alguns factores tais como (Amorim, 2007): o registo do caudal em tempo seco depende do entendimento do responsável pela modelação no que se refere aos valores que são registados assim como das apreciações que são realizadas; os modelos são normalmente calibrados para períodos de tempo relativamente baixos, nomeadamente 5 a 10 semanas, o que poderá levar à averiguação de presença da componente de infiltração directa, quantificar a influência da população flutuante bem como do nível freático registado. Ana Filipa Mota Mortinho 35

52 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem 3.4 Métodos Baseados em Traçadores Os traçadores são elementos químicos que nos permitem identificar a existência de infiltrações num dado sistema de drenagem. Estes podem ser um dos constituintes da água ou podem ser adicionados a esta (Franz, 2007) Método suíço O método Suíço aproveita as características da água para a quantificação da taxa de infiltração. Hager et al. descrevem a seguinte abordagem para identificar a taxa de caudal em tempo seco, baseando-se em recolha de amostras e medições de caudal (Hager et al., 1985): F I = é é é é é (3.8) em que: F I corresponde ao quociente entre o volume de infiltração e o volume total afluente à ETAR; c média concentração média de traçadores; c min concentração mínima de traçadores; Q médio caudal total médio; Q min caudal total mínimo. O respectivo método assume que tanto o caudal de infiltração como a concentração de traçadores se encontram constantes durante o decorrer do dia. A série de medições é efectuada em períodos de 24 horas com uma resolução temporal de cerca de 15 minutos. As variações da infiltração podem ser quantificadas através de medições que ocorrem durante um longo período Séries temporais de medições Kracht e Gujer introduziram um método que evita a existência de medições em condições constantes (Kracht et al., 2005). 36

53 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 Desta forma, a infiltração é determinada através de uma análise combinada de séries temporais de concentrações de carência química de oxigénio (CQO) e do caudal de água residual. A exigência básica deste método consiste numa elevada resolução temporal, por exemplo cerca de 2 minutos. Assim: Q I = (3.9) em que: Q I caudal de infiltração total (infiltrações directas + infiltrações indirectas); caudal de infiltração indirecta; caudal de infiltração directa no momento t 0 ; k constante de recessão; t tempo. Durante a ocorrência de um dado evento pluviométrico a existência de infiltrações directas é bastante significativa atingindo o seu máximo após a ocorrência deste. Após atingir o seu pico máximo a infiltração directa vai diminuindo. Assim, a função exponencial que demonstra o decréscimo da infiltração directa é. Através da medição do caudal total de água residual em séries temporais a concentração de CQO pode ser modelada pela seguinte expressão: (3.10) em que: infiltração); - concentração modelada de CQO (incluindo o caudal de á concentração de CQO da água residual de origem doméstica e industrial (sem o caudal de infiltração); - caudal total de águas residuais, incluindo o caudal de infiltração. Ana Filipa Mota Mortinho 37

54 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem O parâmetro pode ser definido como um valor constante ou como uma função polinomial em função do caudal de água residual, podendo ainda ser definido através de uma função de frequência em função da hora do dia, de forma a incluir as variações diurnas das concentrações de água residual. Então, ajustando o modelo às medições da série temporal, o parâmetro desconhecido, Q I, pode ser determinado. O método em causa é muito flexível e reflecte o processo dinâmico da infiltração Isótopos estáveis Kracht et al. demonstraram que a composição de isótopos na água pode ser usada como um traçador estável (Kracht et al., 2005). Este método tem como objectivo analisar os átomos de hidrogénio (H) e/ou oxigénio (O) existentes na água distribuída (água residual = PC + E) e na água afluente à ETAR. Assim, a água é composta por vários isótopos estáveis de 2 O e 2 H. Desta forma, é necessário entender que um isótopo estável de H + apenas contém um neutrão ao contrário do isótopo de 2 H que contém dois neutrões, o mesmo raciocínio é efectuado para o isótopo 18 O. Assim, quando se forma uma determinada molécula de água (H 2 O) com o isótopo 2 H esta é mais pesada em comparação com a molécula de água formada com o isótopo H +. Então, quando ocorre precipitação a molécula mais pesada é a primeira a cair, acontecendo o inverso quando ocorre o fenómeno de evaporação, em que neste caso é a molécula mais leve a primeira a evaporar. Assim, se na água afluente à ETAR aparecerem apenas os isótopos da água distribuída (água residual), significa então que não existem infiltrações ou a água infiltrada tem os mesmos isótopos da água distribuída. Logo, quando os isótopos existentes na água afluente à ETAR são iguais aos isótopos existentes na água distribuída não é possível tirar conclusões. No entanto, se na água afluente à ETAR aparecerem isótopos diferentes dos existentes na água distribuída estes são oriundos da água infiltrada. Então, quando na água afluente à ETAR existem isótopos que não existem na água distribuída, é possível concluir que existem infiltrações. A exigência básica deste método consiste na diferença significativa na composição dos isótopos de água residual e da água de infiltração. Assim, as características da água residual têm de ser bem distintas das características da água de infiltração. É com base neste pressuposto que facilmente se identifica a existência de infiltrações. 38

55 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 Torna-se assim necessário identificar a origem da infiltração e ser capaz de descrever as variações naturais da composição de isótopos com uma precisão suficiente. Então, conhecendo a quantidade de água residual (PC+E) e sabendo que esta tem isótopos diferentes dos da água infiltrada, medindo a quantidade de água afluente à ETAR e a concentração de isótopos diferentes da água distribuída (concentração da infiltração) através das expressões apresentadas seguidamente (balanço mássico) é possível estimar a quantidade de água infiltrada. Assim: Q T c T = Q AR c AR + Q I c I (3.11) Q AR = Q T Q I (3.12) = Q I / Q T (3.13) Pelo balanço mássico a taxa de infiltração pode ser obtida: (3.14) em que: - corresponde ao quociente entre o volume de infiltração e o volume total afluente à ETAR; concentração da água residual total (incluindo o caudal de infiltração); - concentração de água residual apenas de origem doméstica e industrial (não inclui o caudal de infiltração); concentração de água infiltrada. Seguidamente é apresentado um quadro resumo onde é possível analisar as vantagens e desvantagens de alguns dos métodos descritos anteriormente. Ana Filipa Mota Mortinho 39

56 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem Quadro Comparação de métodos de medição (Adaptado de Franz, 2007) Métodos Vantagens Desvantagens Método do triângulo - Simples; - Permite uma representação gráfica. - Obtém-se uma definição grosseira da infiltração; - Assume que o caudal de água residual é constante ao longo do tempo. Balanço anual - Simples. - Só é considerado o caudal médio diário em tempo seco (DWF); - É definido em condições de tempo arbitrárias; - Tende a dar valores mais baixos para a infiltração em comparação com o que acontece mesmo na realidade. Caudal mínimo - Simples. - Sensível ao caudal que escoa no tempo; - Permite uma escolha arbitrária de medidas no tempo. Mínimo móvel - Não existem escolhas arbitrárias; - Permite um fácil estudo da variação das infiltrações. - Influência na escolha do período estabelecido para retirar o caudal mínimo de águas residuais. Método suíço - Consideração do caudal mínimo nocturno. - Dificuldade existente na medição de traçadores; - Série de medições constante na água residual. Séries temporais de medições - Fácil aplicação. - Medições dispendiosas. Isótopos estáveis - Fácil aplicação. - Características da água da captação têm de ser distintas das características da água infiltrada; - Medições dispendiosas. 40

57 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO Projecto APUSS O projecto de investigação europeu APUSS (Assessing Infiltration and Exfiltration on the Performance of Urban Sewer Systems), decorreu entre 2001 e 2004, tendo sido financiado pela Comissão Europeia, no âmbito do 5º Programa Quadro de Investigação e Desenvolvimento, o qual envolveu universidades, pequenas e médias empresas e municípios em sete países Europeus (Cardoso et al., 2005). Assim, o projecto em causa foi definido e desenvolvido por dez parceiros científicos de sete países europeus, incluindo Portugal. É de salientar que alguns destes parceiros se encontravam associados a operadores dos sistemas de drenagem urbana, tendo como interesse as questões ligadas à infiltração e exfiltração (I/E), os quais colaboraram para o projecto promovendo assistência, acesso aos sistemas experimentais, dados operacionais e financiamento adicional. Deste modo, o projecto APUSS teve como objectivo estudar e analisar determinadas questões relacionadas quer com a infiltração quer com a exfiltração. Este projecto foi estruturado em três áreas de trabalho (Cardoso et al., 2005): Área de trabalho 1: Desenvolvimento de novos métodos de medição baseados em traçadores; Área de trabalho 2: Implementação de modelos e ferramentas computacionais para integração dos dados estruturais e experimentais; Área de trabalho 3: Aspectos sócio-económicos relacionados com a I/E. Assim, são as áreas de trabalho 1 e 2 as que se tornam relevantes para a quantificação da infiltração. Seguidamente é feita uma pequena abordagem em relação às áreas de trabalho 1 e 2, com o intuito de compreender de que forma é que estas áreas contribuíram para a quantificação da infiltração num dado sistema de drenagem urbana. Novos métodos de medição Área de trabalho 1 Tradicionalmente, a medição de I/E nos sistemas de drenagem urbana tem sido baseada em métodos pouco precisos na medição de caudal, análise de variações diurnas de caudal ou de cargas e balanço dos volumes de água entrados e saídos dos sistemas (De Bénédittis et al., 2004). O desenvolvimento da presente área de trabalho, por parte do projecto APUSS, teve como objectivo o desenvolvimento de novos métodos de medição que permitissem distinguir determinadas zonas na tubagem onde se verifica a ocorrência quer de infiltração quer de exfiltração. Ana Filipa Mota Mortinho 41

58 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem A área de trabalho 1 teve em conta o desenvolvimento, teste e validação de métodos para determinar de forma precisa (Cardoso et al., 2005): A exfiltração em troços de colector; A infiltração nos sistemas de drenagem urbana; A infiltração e a exfiltração em ligações domésticas. Os métodos de medição consistem na utilização de traçadores químicos e isótopos naturais e seleccionados, os quais foram testados e validados em distintas condições operacionais em tempo seco, em distintas escalas espaciais (desde a escala do colector a toda a bacia) e em diferentes condições (variações permanentes e dinâmicas dos níveis freáticos, efeitos sazonais, etc.). Assim, foram desenvolvidos métodos de traçadores para a quantificação da exfiltração. No entanto, para a determinação da infiltração foram desenvolvidos métodos baseados em isótopos. No presente documento apenas se achou relevante apresentar os métodos utilizados para a quantificação da infiltração. Infiltração nos sistemas de drenagem urbana O projecto APUSS desenvolveu dois métodos para a quantificação da infiltração em sistemas de drenagem de águas residuais. Segundo Kracht et al., o primeiro método baseia-se na medição dos isótopos naturais e estáveis de oxigénio 16 O e 18 O (Kracht et al., 2005). Assim, se a água para consumo e a água proveniente dos lençóis freáticos apresentarem valores diferentes para o isótopo 18 O, e tendo em conta que a água de infiltração provém dos lençóis freáticos, isto é, das águas subterrâneas, e que a água doméstica consumida produz água residual doméstica, a determinação da razão do isótopo 18 O à saída de uma dada rede de drenagem associada com a equação de balanço de massa, permite determinar a taxa de infiltração. As principais limitações que constituem as maiores desvantagens deste método são (Cardoso et al., 2005): medições dispendiosas; as características da água residual têm de ser bem distintas das características da água de infiltração. Ao contrário do que acontece no método descrito anteriormente, o segundo método pode ser utilizado em qualquer rede de drenagem onde as águas residuais sejam maioritariamente de origem doméstica. 42

59 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 O segundo método consiste na medição simultânea e contínua do caudal e da concentração da Carência Química de Oxigénio (CQO). A medição do caudal é efectuada através da utilização de medidores de caudal credíveis e a concentração de CQO é obtida através da realização de medições ópticas utilizando para o efeito um espectro-fotómetro de radiação UV/visível de comprimento de onda múltiplo (Cardoso et al., 2005). Assim, assumindo que a água de infiltração tem uma concentração de CQO desprezável em comparação com a água residual doméstica, as equações de balanço de massa permitem determinar a taxa de infiltração recorrendo a modelos e padrões adequados para a modelação diária do caudal e da concentração em CQO. Infiltração nas ligações domésticas As ligações domésticas contribuem em grande parte para a ocorrência de fenómenos relacionados com a infiltração. Por forma a medir a infiltração nas ligações domésticas, os métodos volumétricos foram testados e aplicados em locais experimentais. O controlo do caudal, durante dois dias, nas câmaras de visita que recebem as diversas ligações domésticas aos colectores públicos, permitem determinar a taxa de infiltração. A taxa de infiltração considera-se equivalente ao caudal mínimo nocturno. Pelo facto de existir um elevado número ligações domésticas, isto é, de ligações da rede predial pluvial à rede pública doméstica, torna-se impensável a realização de medições de infiltração para cada uma delas. Por este motivo, foi fixado um procedimento que consiste em extrapolar as medições para uma bacia de grandes dimensões. Segundo Princ e Kohout, utilizou-se uma matriz que descreve características idênticas das ligações domésticas, através da utilização de registos de inspecções CCTV (Closed Circuit Television), e deficiências das ligações domésticas (Princ et al., 2003). Modelos e ferramentas computacionais Área de trabalho 2 Os dados e resultados obtidos das medições efectuadas em colectores e em ligações domésticas com o intuito de quantificar os caudais de infiltração, devem ser sujeitos a determinados tratamentos. Assim, os dados resultantes das medições necessitam de ser integrados e visualizados convenientemente com o objectivo de fornecer aos utilizadores finais uma representação e compreensão dos aspectos que perturbam os sistemas de drenagem urbana. A infiltração é medida à escala da sub-bacia ao contrário da exfiltração que é medida à escala do colector. Foram sugeridos modelos de exfiltração à escala do colector bem como de infiltração à escala da sub-bacia. Ana Filipa Mota Mortinho 43

60 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem Então, o modelo utilizado para estimar a infiltração consiste na representação, para a rede objecto de estudo, do nível freático, da altura da lâmina líquida no interior da tubagem e do perímetro molhado associado ao nível freático. Deste modo, as variáveis envolvidas neste modelo são: h w níveis de água nos colectores; h GWL níveis freáticos circundantes; P w perímetro molhado. A figura seguinte ilustra o modelo utilizado para a quantificação da infiltração e exfiltração. Figura Determinação da infiltração e exfiltração em colectores (Amorim, 2007) O objectivo deste modelo consiste em analisar a pressão que o nível freático exerce sobre a tubagem, para um dado caudal transportado, de forma a verificar o estado estrutural da rede. Então, são as variáveis envolvidas no modelo que reflectem o estado estrutural da tubagem, e estas necessitam de ser calibradas com o recurso a medições e resultados experimentais. No contexto do software AquaBase foi criada uma ferramenta que inclui o mapa do sistema de drenagem, os caudais de tempo seco, os níveis freáticos obtidos por interpolação, bem como dados e séries temporais que incluem os resultados experimentais de infiltração e exfiltração. 3.5 Abordagem de Similaridade A abordagem de similaridade consiste em obter medições ou estudos realizados em bacias de drenagem com características similares e assumir que o comportamento da bacia em estudo, para o qual não há estudos nem medições, é idêntico. 44

61 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 Deste modo, a aplicação de modelos já existentes para determinar as infiltrações, quer de origem directa quer de origem indirecta, torna-se bastante complexa, sendo necessária a realização de medições mais rigorosas. Assim, devido à existência de medições muito rigorosas, bem como a métodos de investigação muito dispendiosos, é necessário o recurso a uma abordagem diferente. Com base no pressuposto de que condições similares de colectores conduzem a taxas similares de infiltração, é possível identificar áreas homogéneas e sub-bacias comparáveis, procurando e trabalhando com entidades similares no âmbito de um sistema de drenagem de águas residuais. Contudo, em vez de se utilizar esta ideia de forma subjectiva é possível e aconselhável adaptar métodos matematicamente exactos ao respectivo estudo, o que conduz a abordagens similares (Franz, 2007). Esta implementação exige para a sua utilização e aplicação várias técnicas (Franz, 2007): Classificação: Segundo Herz e Müller, métodos estatísticos de classificação são amplamente usados no domínio dos sistemas de drenagem de águas residuais (Herz, 1996; Müller et al., 2002). No entanto, os métodos de aplicação considerados atingem parâmetros únicos e independentes uns dos outros. Devido aos métodos de medição vulgarmente usados na classificação da água residual, no quadro de medições da infiltração e na modelação é necessário incluir tanto o dimensionamento estrutural como a anisotropia funcional dos sistemas de água residual, isto é, a topologia da rede e a direcção do caudal. Optimização: a divisão de uma bacia em áreas homogéneas, isto é, em sub-bacias com uma baixa variação das suas características, conduz a medições adequadas para a homogeneidade de uma sub-bacia e para a sua optimização. Comparação: as definições das sub-bacias são consideradas como unidades individuais agregando todas as propriedades dentro de cada sub-bacia. Para que as taxas de infiltração destas unidades sejam comparáveis e mensuráveis, as unidades e sub-bacias, respectivamente, têm de estar organizadas e serem comparadas por meio de medidas adequadas. É necessário em primeiro lugar proceder à aquisição de dados para seguidamente se realizar o pré-processamento dos mesmos, finalizando com a obtenção de uma base de dados. Os dados de uma determinada sub-bacia podem ser doados por operadores e por agentes de autoridade da própria cidade em que se efectua o estudo. Os dados são normalmente armazenados através de sistemas de informação geográfica (SIG). Deste modo, é através da utilização de métodos estatísticos e com base nos dados adquiridos de uma dada sub-bacia, que é possível verificar o pressuposto básico. Ana Filipa Mota Mortinho 45

62 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem Então, é possível afirmar que para realizar uma abordagem de similaridade entre duas bacias similares é necessário realizar investigações/estudos sobre os dados destas assim como das diferenças entre sub-bacias com diferentes taxas de infiltração. O pressuposto da abordagem de similaridade condições similares de colectores conduzem a taxas similares de infiltração pode ser o fundamento para métodos e aplicações que procuram e trabalham com entidades similares no âmbito dos sistemas de drenagem (Franz, 2007). 3.6 Recomendação da ERSAR A Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e Resíduos (ERSAR) emitiu uma recomendação, a qual tem em conta aspectos associados a regras e procedimentos de medição com o objectivo de estimar a componente de águas pluviais afluentes a um dado sistema de drenagem (infiltrações directas). Nesta recomendação é indicada a importância das entidades gestoras das redes em alta assegurarem registos de medição nas ligações da rede em baixa à rede em alta, com o intuito de poder estimar a parcela de origem pluvial bem como de quantificar os caudais descarregados por cada utilizador. Segundo a respectiva recomendação, os caudais de tempo seco e de tempo húmido devem ser quantificados através de registos contínuos de caudais à entrada das estações de tratamento de águas residuais e, sempre que necessário, em secções de entrega da rede em baixa na rede em alta (pontos de recolha), isto é, nos pontos de ligação das redes em baixa (Baptista et al., 2007). Assim, os volumes afluentes de origem pluvial serão obtidos através da diferença entre os volumes registados em tempo de chuva e os volumes registados em tempo seco. Para a definição dos caudais em tempo de chuva aconselha-se que as entidades gestoras bem como os utilizadores do sistema, seleccionem um ou mais udómetros, localizados na área servida por cada estação de tratamento (ou pelo menos o mais próximo desta), onde se irá realizar a medição. As medições efectuadas devem ser representativas da ocorrência de contribuições pluviais na respectiva área. É de notar que um udómetro, apesar de ser seleccionado para representar a ocorrência de um dado evento pluviométrico na área servida por uma determinada estação de tratamento de água residual, pode também ser representativo da ocorrência de um dado evento pluviométrico em áreas vizinhas servidas por outras estações de tratamento. Segundo a recomendação da ERSAR, considera-se um dia de chuva se for registada a ocorrência de precipitação no udómetro seleccionado para o respectivo ponto de medição. Nos dias de chuva os volumes medidos devem ser divididos em algumas parcelas tal como se pode verificar na seguinte expressão (Baptista et al., 2007): 46

63 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 em que: (3.15) volume total medido no ponto de medição j (ETAR ou secção de entrega), no dia de chuva n; volume de águas residuais domésticas/industriais atribuído ao ponto de medição j, no dia de chuva n; n; volume estimado de águas pluviais, atribuído ao ponto de medição j, no dia de chuva M número de dias do último período contínuo de tempo seco, recomenda-se que a duração de M seja pelo menos 10 dias, isto é, o valor médio diário do último período contínuo de tempo seco com uma duração mínima de 10 dias; valor médio diário dos volumes totais medidos no ponto de medição j, calculado para o último período, precedente ao dia n, de M dias consecutivos de tempo seco. A expressão apresentada anteriormente permite calcular assim o volume total medido em cada ponto de medição. 3.7 Outros Critérios para a Quantificação das Infiltrações Em Portugal, os critérios propostos pelo Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas Residuais (RGSPPDADAR), Decreto Regulamentar nº 23/95, no seu artigo nº 126, são os apresentados seguidamente. O valor do caudal de infiltração pode ser considerado (MOPTC, 1995): igual ao caudal médio anual, nas redes de pequenos aglomerados com colectores a jusante até 300 mm; proporcional ao comprimento e diâmetro dos colectores, nas redes de médios e grandes aglomerados; neste último caso, quando se trate de colectores recentes ou a construir, podem estimar-se valores do caudal de infiltração da ordem de 0,5 m 3 /dia, por centímetro de diâmetro e por quilómetro de comprimento da rede pública, podendo atingir-se valores de 4 m 3 /dia, por centímetro e por quilómetro, em colectores de precária construção e conservação. Ana Filipa Mota Mortinho 47

64 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem Segundo este regulamento, os valores referidos anteriormente para o caudal de infiltração podem ser inferiores sempre que estiver assegurada uma melhor estanqueidade da rede, nomeadamente no que respeita aos colectores, juntas e câmaras de visita. Ainda em Portugal, o Manual de Saneamento, do Professor Novais Barbosa, considera diversos valores de caudal de infiltração, por comprimento de rede, tendo em conta a localização da rede em relação ao nível freático. A rede poderá localizar-se acima ou abaixo do nível freático, bem como parcialmente abaixo deste. Deste modo, segundo este manual, os valores dos caudais de infiltração variam, no período de vida do projecto, entre 0,2 l/s/km para colectores que se encontram acima do nível freático, e 1 l/s/km para colectores que se encontram abaixo do nível freático (Amorim, 2007). Na Irlanda, segundo a Greater Dublin Área Sewer Network, o caudal de infiltração considerase igual a 10 a 15% do caudal médio diário em tempo seco (Amorim, 2007). Nos Estados Unidos da América (EUA), segundo a USEPA Guidelines, o caudal de infiltração considera-se igual a 140 l/d por mm de diâmetro e por quilómetro de comprimento da rede. Ainda nos EUA, as indicações da ASCE-WEF (American Society of Civil Engineers Water Environment Federation), para o projecto de sistemas gravíticos domésticos, variam de local para local, podendo variar de 0,05 até 1,39 m 3 /dia por centímetro de diâmetro e por quilómetro de colector (Cardoso et al., s.d.). Segundo METCALF e EDDY, o caudal de infiltração pode variar entre 0,094 a 9,4 m 3 /dia por centímetro de diâmetro e por quilómetro de colector, podendo por vezes atingir valores superiores. Estes autores indicam que, de acordo com a agência reguladora dos EUA, a infiltração se considera significante se tomar valores superiores a 7,5 m 3 /dia por centímetro de diâmetro e por quilómetro de colector. Estes autores consideram, ainda, que a variação da infiltração poderá tomar valores entre 0,2 a 28 m 3 / (ha.dia) (Metcalf et al., 1991). No Botswana, estima-se como valor para o caudal de infiltração 10m 3 /ha/d para tubagens de PVC (Amorim, 2007). No Reino Unido, WHITE et al. indica que, para a prática de projecto que neste país se efectua, 10% da capacidade do colector deve ser reservada para a infiltração em colectores domésticos, de acordo com WAA (White et al., 1997). Segundo a norma alemã ATV118, para o dimensionamento de sistemas de drenagem urbana, é considerado um caudal de infiltração igual a 100% do caudal doméstico, podendo em certas situações, desde que assim se justifique, assumir outro valor ou ser determinado numa base diferente, por exemplo tendo em conta a área drenada. Esta norma indica, ainda, que no caso de existirem sistemas unitários, o caudal de infiltração pode ser omitido no dimensionamento dos colectores. No entanto, no dimensionamento de estruturas especiais e estações de tratamento este deve ser considerado (Cardoso et al., s.d.). No caso de existirem registos de medições locais de caudal, a estimativa da infiltração base que ocorre num sistema de drenagem, não tendo como origem a precipitação, pode ser 48

65 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3 determinada em função da análise de registos de medição de caudal diário em tempo seco, em função do caudal mínimo registado, o qual ocorre normalmente entre as 0:00 e as 6:00 horas. Segundo COHEN, estudos onde foi realizada uma avaliação precisa dos caudais revelam que o caudal nocturno é, em média, cerca de 8 a 12% do caudal médio diário sem ocorrência de precipitação para bacias urbanas (Cohen et al., 1998). No entanto, esta relação pode por vezes ser superior, em função da existência de caudais industriais ou outras afluências que permaneçam constantes ao longo do tempo. Torna-se importante analisar com rigor o comportamento do método de medição durante o período nocturno, uma vez que podem existir erros relevantes originados nos menores caudais e alturas de água, bem como da existência de reduzidas concentrações de sólidos em suspensão. Assim, estes problemas existentes na medição de caudais em superfície livre poderão ter como resultado a subestimativa de caudais nocturnos e, consequentemente, dos caudais de infiltração que surgem efectivamente nos sistemas. Ana Filipa Mota Mortinho 49

66 50 Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem

67 CAPÍTULO 4 4. INDICADORES DE DESEMPENHO A avaliação do desempenho das entidades gestoras é considerada uma ferramenta de gestão, estando a desenvolver uma nova dinâmica na indústria da água. Esta avaliação requer a utilização de medidas de referência, ou seja, o recurso a indicadores de desempenho (ID) e níveis de qualidade de serviço. Assim, a característica ou variável de estado que, tendo em conta os valores que assume, traduz em termos quantitativos o desempenho do sistema, designa-se por ID ou medida de desempenho. Um ID pode ser utilizado como uma medida quantitativa, ou em certos casos qualitativa, de um aspecto particular do desempenho, ou prestação de serviço, de uma entidade gestora (Matos et al., 2004). Os IDs podem ser considerados como elementos chave na definição da eficiência e eficácia da prestação de serviços por uma entidade gestora. Estes permitem a tomada de consciência por parte de uma dada entidade gestora em relação a certos aspectos da sua actividade, bem como do comportamento dos próprios sistemas. Desta forma, é realizada uma avaliação por comparação com outras entidades gestoras, as quais trabalham com limitações e contextos semelhantes. Esta avaliação por comparação com outros prestadores de serviços é designada por benchmarking (Matos et al., 2004). Assim, os IDs podem ser considerados como uma base de referência para o benchmarking métrico (metric benchmark) avaliação de desempenho quantitativa e comparativa. O benchmarking métrico consiste numa comparação directa com Bench marks (valores de referência). Normalmente, a comparação do desempenho na prestação similar de serviços é efectuada através de benchmarking de processo (process benchmarking) analisando métodos de negócio, comparando a actividade de diversas organizações e procurando reconhecer as melhores práticas (Matos et al., 2004). Os IDs podem variar temporalmente, de acordo com as solicitações do sistema, bem como espacialmente, ou seja, de elemento para elemento. Estes são obtidos através de dados de monitorização e modelação do sistema em estudo, sendo fixados independentemente do grau de desenvolvimento socioeconómico, ou mesmo da natureza do sistema institucional em que determinada entidade gestora trabalha. Permitem, de uma forma genérica, reconhecer e ter em conta determinados factores relacionados com as características económicas, demográficas, culturais e climáticas. É importante que os IDs sejam claramente definidos, com um significado conciso e uma interpretação única para cada indicador, de fácil compreensão mesmo para não especialistas, facilmente verificáveis (auditáveis), auto-explicativos e sempre relacionados com áreas e períodos de tempo bem definidos (Matos et al., 2004). Os IDs são expressos através de uma razão entre varáveis, podendo ser adimensionais, quando são apresentados por exemplo em percentagem, bem como intensivos, quando expressem intensidade (Matos et al., 2004). Ana Filipa Mota Mortinho 51

68 Indicadores de Desempenho Assim, cada entidade gestora reúne os valores das variáveis relativas ao exercício do ano anterior, necessárias ao cálculo dos indicadores de desempenho, para de seguida as enviar à ERSAR, a Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e Resíduos. É esta que avalia o desempenho de cada entidade gestora, em função de determinados valores de referência que possui, bem como fazendo uma análise comparativa com os indicadores de desempenho obtidos para as diferentes entidades gestoras. Esta avaliação permite identificar para cada entidade gestora o melhor ou pior desempenho do sistema. Os ID são determinados neste contexto, através do conhecimento dos valores da infiltração, podendo assim verificar de que modo é que esta afecta o desempenho de determinado sistema. Deste modo, no contexto do projecto APUSS Assessing Infiltration on the Performance of Urban Sewer Systems, Alegre e Coelho sugeriram alguns indicadores de desempenho, os quais permitem caracterizar o desempenho de um dado sistema de drenagem no que se refere às afluências indevidas em colectores (Coelho et al., 1999). Os indicadores propostos para avaliar o impacto da infiltração no desempenho dos sistemas de drenagem separativos domésticos ou unitários são os seguintes (Coelho et al., 1999): Q inf / Q sc (%) Utilização da capacidade da secção cheia; Q inf / Q mts (%) Proporção do caudal em tempo seco; Q inf / nº C visita (m 3 /s) Caudal unitário por câmara de visita; Q inf / L colector (m 3 /s/km) Caudal unitário por comprimento do colector; Q inf / (L colector x P) (m 3 /dia/(cm.km)) Caudal unitário por área de parede do colector. As grandezas utilizadas para o cálculo dos indicadores de desempenho têm o seguinte significado: Q inf caudal de infiltração; Q sc caudal de secção cheia do colector; Q mts caudal médio diário em tempo seco; nº C visita número de câmaras de visita; L colector comprimento do colector (km). 52

69 Indicadores de Desempenho CAPÍTULO 4 De seguida é apresentada uma breve explicação para cada um dos indicadores de desempenho referidos anteriormente. Q inf / Q sc (%) Utilização da capacidade da secção cheia: esta medida indica qual é a percentagem do caudal de infiltração relativamente ao valor do caudal de secção cheia do colector, que representa a sua capacidade. Permite avaliar a percentagem da capacidade do colector que é utilizada em consequência da ocorrência de infiltração. Este indicador não entra em conta com nenhuma das origens possíveis da infiltração. Este valor pode ser obtido elementarmente (num colector), sectorialmente (num subsistema) ou globalmente (em todo o sistema). Neste caso é necessário conhecer a capacidade do colector a avaliar, o que não apresenta dificuldade uma vez conhecida a inclinação, a geometria e o material do colector em análise. Este indicador fornece informação sobre o desempenho hidráulico, dando um valor relativo à capacidade do colector em análise mas não traduzindo qualquer informação sobre a quantidade absoluta de infiltração ocorrida. Q inf / Q mts (%) Proporção do caudal em tempo seco: esta medida indica qual é a percentagem de caudal de infiltração relativamente ao valor do caudal médio diário de tempo seco. Permite comparar o peso da contribuição do caudal de infiltração relativamente ao caudal médio diário de tempo seco. No entanto, este indicador não entra em conta com nenhuma das origens possíveis da infiltração. Este valor pode ser obtido elementarmente (num colector), sectorialmente (num subsistema) ou globalmente (em todo o sistema). Neste caso é necessário conhecer o caudal médio de tempo seco escoado pelo colector a avaliar, dado obtido através de medições ou por estimativa. Este indicador tem o inconveniente de ser dependente da influência do caudal médio diário de tempo seco. Este indicador, se aplicado ao caudal que chega à estação de tratamento, permite dar informação sobre o peso que o caudal de infiltração pode ter nos gastos do tratamento. Neste caso, além de ser usado em termos de volume pode ser aplicado em termos de percentagem de custos. Q inf / nº C visita (m 3 /s) Caudal unitário por câmara de visita: esta medida indica o caudal médio de infiltração por câmara de visita. Efectivamente, as câmaras de visita são possíveis origens de infiltração. Assim, para avaliar a influência do número de câmaras de visita no caudal de infiltração, este valor deve ser determinado em troços de igual comprimento, por forma a que a influência do comprimento do colector, outra origem de infiltração, não se sobreponha com a das câmaras de visita. No entanto, este indicador não entra em conta com a influência da infiltração ao longo do colector, nem nas ligações domésticas. Este valor pode ser obtido sectorialmente (num subsistema) ou globalmente (em todo o sistema). Neste caso, é necessário conhecer o número de câmaras de visita que contribuem para a avaliação em causa, o que pode condicionar a aplicação deste indicador. Em sistemas onde a infiltração seja predominantemente originada nas câmaras de visita, este pode ser um indicador importante para avaliar os benefícios de reabilitação. Ana Filipa Mota Mortinho 53

70 Indicadores de Desempenho Q inf / L colector (m 3 /s/km) Caudal unitário por comprimento do colector: esta medida indica o caudal médio de infiltração que ocorre por km de comprimento do colector. Este indicador não tem em conta a influência da infiltração nas câmaras de visita, nem nas ligações domésticas. Este valor pode ser obtido elementarmente (num colector), sectorialmente (num subsistema) ou globalmente (em todo o sistema). Neste caso, é necessário conhecer o comprimento total dos colectores que contribuem para a avaliação em causa, o que pode condicionar a aplicação deste indicador. No entanto, em sistemas onde a infiltração ocorra predominantemente ao longo do colector pode ser um indicador importante para avaliar os benefícios de reabilitação. Q inf / (L colector x P) (m 3 /dia/(cm.km)) Caudal unitário por área de parede do colector: esta medida indica o caudal médio de infiltração em função da área de parede do colector exposta a possíveis infiltrações. Este indicador não entra em conta com a influência da infiltração nas câmaras de visita, nem nas ligações domésticas. Este valor pode ser obtido elementarmente (num colector), sectorialmente (num subsistema) ou globalmente (em todo o sistema). Neste caso, é necessário conhecer o valor total da área longitudinal dos colectores que contribuem para a avaliação em causa, o que pode condicionar a aplicação deste indicador. No entanto, em sistemas onde a infiltração ocorra predominantemente ao longo do colector, pode ser um indicador importante para avaliar os benefícios de reabilitação. Em Portugal, a ERSAR propôs 6 grupos de indicadores de desempenho para os serviços de águas residuais, que no total perfazem 182 indicadores (Matos et al., 2004). No Quadro 4.1 apresentam-se os 6 grupos de indicadores de desempenho propostos, bem como os códigos correspondentes. Quadro Grupos de indicadores de desempenho (Matos et al., 2004) Grupo de indicadores de desempenho Indicadores ambientais Indicadores de recursos humanos Indicadores infra-estruturais Indicadores operacionais Indicadores de qualidade de serviço Indicadores económico-financeiros Código wen wpe wph wop wqs wfi 54

71 Indicadores de Desempenho CAPÍTULO 4 No âmbito da infiltração são importantes apenas 4 dos 6 grupos de indicadores de desempenho apresentados anteriormente. Os 4 grupos de indicadores de desempenho a considerar são: os indicadores ambientais, infra-estruturais, operacionais e por fim os de qualidade de serviço (Matos et al., 2004). Indicadores ambientais (wen) Como o nome assim o indica, os indicadores ambientais avaliam o desempenho da entidade gestora no que se refere aos impactes ambientais. Estes são designados de wen1 a wen15, sendo o wen5 o indispensável para a avaliação da infiltração. Assim, o wen5 refere-se ao volume de descargas de excedentes originadas por precipitação (%). wen5 é obtido pelo quociente entre o volume total de águas residuais descarregado e o volume anual de precipitação x 100, durante o período de referência, ou seja: wen5 = wa25 / wa26 x 100 (4.1) sendo: wa25 Volume de descargas de excedentes (m 3 ); wa26 Volume de precipitação (m 3 ). Este indicador (wen5) pode ser calculado para períodos inferiores a um ano, sabendo-se que se pode incorrer em erros de interpretação, pelo que se considera recomendável dispor de informação das variáveis para períodos de pelo menos um ano. Indicadores infra-estruturais (wph) Os indicadores infra-estruturais destinam-se a avaliar se as infra-estruturas de drenagem e de tratamento de água residual ainda dispõem de capacidade suficiente ( encaixe ) para operarem correctamente e em segurança, garantindo que os seus objectivos de serviço podem ser atingidos. Designam-se de wph1 a wph12, sendo o wph6 o necessário para a avaliação em causa. Então, o wph6 diz respeito à entrada em carga de colectores em tempo de chuva (%). Deste modo, este indicador é o resultado do quociente entre o comprimento dos colectores onde se verificou entrada em carga em tempo de chuva, durante o período de referência, e o comprimento total da rede de colectores na data de referência x 100, ou seja: Ana Filipa Mota Mortinho 55

72 Indicadores de Desempenho wph6 = wc3 / wc1 x 100 (4.2) sendo: wc1 Comprimento total da rede de colectores (km); wc3 Colectores em carga em tempo de chuva (m). Esta informação pode ser obtida tanto por monitorização como por modelação hidráulica da rede utilizando dados reais de precipitação. Este indicador pode ser calculado para períodos inferiores a um ano, sabendo-se que se pode incorrer em erros de interpretação, pelo que se considera recomendável dispor de informação das variáveis para períodos de pelo menos um ano. Se o período de referência utilizado for inferior ao ano, as comparações internas devem ser feitas com prudência e devem ser evitadas comparações com entidades externas. Indicadores operacionais (wop) Os indicadores operacionais destinam-se a avaliar o desempenho da entidade gestora no que se refere às actividades de operação e de manutenção. Estes são designados de wop1 a wop56, de onde se destacam o wop30, o wop31 e o wop32 como fundamentais para a avaliação da infiltração. Deste modo: wop30 refere-se à infiltração/exfiltração e ligações indevidas (%); wop31 refere-se a ligações indevidas (m 3 /km/ano); wop32 refere-se à infiltração (m 3 /km/ano). A razão entre o volume de água entrado nos colectores, proveniente de águas subterrâneas ou de ligações indevidas, deduzido do volume de água saída dos colectores para o solo envolvente e o (volume de águas residuais domésticas, industriais e comerciais + volume proveniente de ligações indevidas + volume de infiltração volume de exfiltração) x 100, durante o período de referência indica o valor do indicador de desempenho wop30, ou seja: wop30 = (wd35 + wd36 wd37) / (wf1 + wd35 + wd36 wd37) x 100 (4.3) sendo: wd35 Volume de água de ligações indevidas (m 3 ); 56

73 Indicadores de Desempenho CAPÍTULO 4 wd36 Volume de água infiltrada (m 3 ); wd37 Volume de água exfiltrada (m 3 ); wf1 Águas residuais colectadas (m 3 ). O wop31 é dado pelo quociente entre o volume de água entrado nos colectores, proveniente de ligações indevidas durante o período de referência x 365 / período de referência e o comprimento total da rede de colectores na data de referência, ou seja: wop31 = (wd35 x 365 / wh1) / wc1 (4.4) sendo: wc1 Comprimento total da rede de colectores (km); wd35 - Volume de água de ligações indevidas (m 3 ); wh1 Duração do período de referência (dia). Note-se que x 365 / duração do período de referência é uma expressão de conversão de unidades e não deve ser utilizada para extrapolações. Este indicador pode ser calculado para períodos inferiores a um ano mas, nesse caso, tanto as comparações externas como internas à entidade gestora devem ser feitas com prudência. O wop32 é obtido pelo quociente entre o volume de água entrado nos colectores, proveniente de águas subterrâneas x 365 / período de referência e o comprimento total da rede de colectores na data de referência, ou seja: wop32 = (wd36 x 365 / wh1) / wc1 (4.5) sendo: wc1 Comprimento total da rede de colectores (km); wd36 Volume de água infiltrada (m 3 ); wh1 Duração do período de referência (dia). Note-se que x 365 / duração do período de referência é uma expressão de conversão de unidades e não deve ser utilizada para extrapolações. Este indicador pode ser calculado para períodos inferiores a um ano mas, nesse caso, tanto as comparações externas como internas à entidade gestora devem ser feitas com prudência. Ana Filipa Mota Mortinho 57

74 Indicadores de Desempenho Indicadores de qualidade de serviço (wqs) Os indicadores de qualidade de serviço medem o nível de serviço prestado aos clientes. Estes designam-se de wqs1 a wqs29, sendo o wqs11 e o wqs13 os indicadores relativos à avaliação da infiltração. Assim: wqs11 refere-se à inundação de alojamentos com origem em rede separativa de águas residuais domésticas em tempo de chuva (n.º/1000 alojamentos/ano); wqs13 refere-se à inundação de alojamentos com origem em rede unitária de águas residuais em tempo de chuva (n.º/1000 alojamentos/ano). O wqs11 é obtido pelo quociente entre o número de alojamentos afectados por inundações resultantes da rede separativa de águas residuais domésticas, em tempo de chuva, durante o período de referência x 365 / período de referência e o número de alojamentos ligados à rede de drenagem na data de referência x 1000, ou seja: sendo: wqs11 = (wf3 x 365 / wh1) / wc28 x 1000 (4.6) wc28 Alojamentos ligados à rede de drenagem (n.º); wf3 Alojamentos afectados por inundações resultantes da rede separativa de águas residuais domésticas em tempo de chuva (n.º); wh1 Duração do período de referência (dia). Apenas devem ser incluídas as inundações das redes separativas domésticas da responsabilidade da entidade gestora. Note-se que as inundações podem afectar alojamentos que não estão ligados à rede e que, neste caso, devem ser incluídos. Note-se que x 365 / duração do período de referência é uma expressão de conversão de unidades e não deve ser utilizada para extrapolações. Este indicador pode ser calculado para períodos inferiores a um ano, sabendo-se que se pode incorrer em erros de interpretação, pelo que se considera recomendável dispor de informação das variáveis para períodos de pelo menos um ano. Se o período de referência utilizado for inferior ao ano, as comparações internas devem ser feitas com prudência e devem ser evitadas comparações com entidades externas. O indicador wqs13 é obtido pelo quociente entre o número de alojamentos afectados por inundações resultantes da rede unitária de águas residuais, em tempo de chuva, durante o período de referência x 365 / período de referência e o número de alojamentos ligados à rede de drenagem na data de referência x 1000, ou seja: 58

75 Indicadores de Desempenho CAPÍTULO 4 sendo: wqs13 = (wf5 x 365 / wh1) / wc28 x 1000 (4.7) wc28 Alojamentos ligados à rede de drenagem (n.º); wf5 Alojamentos afectados por inundações resultantes da rede unitária de águas residuais domésticas em tempo de chuva (n.º); wh1 Duração do período de referência (dia). Apenas devem ser incluídas as inundações das redes separativas unitárias da responsabilidade da entidade gestora. Note-se que as inundações podem afectar alojamentos que não estão ligados à rede e que, neste caso, devem ser incluídos. Note-se que x 365 / duração do período de referência é uma expressão de conversão de unidades e não deve ser utilizada para extrapolações. Este indicador pode ser calculado para períodos inferiores a um ano, sabendo-se que se pode incorrer em erros de interpretação, pelo que se considera recomendável dispor de informação das variáveis para períodos de pelo menos um ano. Se o período de referência utilizado for inferior ao ano, as comparações internas devem ser feitas com prudência e devem ser evitadas comparações com entidades externas. A avaliação da prestação de serviços de uma dada entidade gestora, utilizando indicadores de desempenho, deve ser executada através de uma definição clara e precisa dos objectivos que se pretende analisar, definindo, em função desses objectivos, os indicadores que se consideram mais adequados. É em função das particularidades do sistema, das suas principais falhas, assim como da informação existente, que é escolhido um determinado indicador de desempenho. Todos os indicadores de desempenho apresentados anteriormente deverão ser analisados, testados e aplicados a casos reais. Os indicadores de desempenho ou medidas de desempenho são uma abordagem importante, na medida em que é com base nestes que é possível analisar o melhor ou pior desempenho de uma determinada entidade gestora. No entanto, este assunto é recente e ainda se encontra em desenvolvimento, ou seja, existem investigadores a trabalhar nesta área, por forma a propor novos indicadores de desempenho ou mesmo actualizar os existentes. O uso de indicadores em geral é ainda problemático, e tem sido objecto de crescente reflexão nos últimos anos. Ana Filipa Mota Mortinho 59

76 60 Indicadores de Desempenho

77 CAPÍTULO 5 5. ESTUDO DE CASO 5.1 Breve Descrição do Estudo de Caso O estudo de caso tem como principal objectivo a quantificação das infiltrações directas e indirectas para duas ETAR, aplicando dois dos métodos abordados anteriormente (Capítulo 3). Os dois métodos utilizados para a quantificação das infiltrações são o método do mínimo móvel e o método do triângulo. Este estudo foi realizado para a ETAR do Choupal em Coimbra e para a ETAR da Zona Urbana na Figueira da Foz. O presente capítulo tem ainda como objectivo calcular alguns dos indicadores de desempenho abordados no Capítulo Análise do Estudo de Caso ETAR do Choupal A ETAR do Choupal, em Coimbra, em funcionamento desde 1992 é considerada uma obra bem conseguida na sua dimensão e estrutura. Esta ETAR encontra-se enquadrada numa zona verde e recebe a água residual da zona Norte do concelho de Coimbra, da zona Urbana (centro) e de uma parte da zona Sul. Figura ETAR do Choupal Ana Filipa Mota Mortinho 61

78 Estudo de Caso Método do mínimo móvel O método do mínimo móvel foi aplicado à ETAR do Choupal com o intuito de estimar as infiltrações na rede que drena para esta. Este método baseia-se em medições diárias do caudal afluente à ETAR durante o período considerado no estudo. Assim, o respectivo método foi aplicado à ETAR do Choupal (maior do concelho) com base nas medições diárias do caudal afluente a esta durante o ano de Para a aplicação do referido método é necessário ter em conta os seguintes aspectos: 1. Adquirir os registos do caudal diário afluente a uma dada ETAR (neste caso à ETAR do Choupal) durante o período de estudo considerado (neste caso um ano); 2. Determinar para cada dia o caudal mínimo de águas residuais (mínimo móvel); 3. Determinar o volume de infiltrações directas e indirectas. Assim, os registos dos caudais diários afluentes à ETAR do Choupal são o ponto de partida para a aplicação do método do mínimo móvel. O mínimo móvel corresponde ao caudal mínimo de águas residuais, o qual é obtido tendo em conta um período de 21 dias (3 semanas). Então, tal como o nome assim o indica, o mínimo móvel é igual ao menor valor observado num período de 21 dias. Este procedimento é aplicado ao longo do período de tempo considerado no estudo, neste caso de um ano (365 dias). Assim, para cada sequência de 21 dias obtém-se o respectivo valor do mínimo móvel (caudal mínimo de águas residuais), repetindo-se o processo até perfazer o período de tempo considerado no estudo. Para quantificar o volume de infiltrações directas e indirectas é necessário determinar o volume anual afluente à ETAR, o volume de água residual e o volume de água residual com infiltrações indirectas. O volume anual afluente à ETAR corresponde ao total do volume diário afluente a esta durante um ano. Assim, o volume anual afluente à ETAR do Choupal é igual a m 3. Para estimar o volume de água residual é necessário ter em conta a água facturada (concelho), a influência da ETAR do Choupal e o factor de afluência. A água facturada corresponde a toda a água que se consumiu durante o ano de 2010 em todo o concelho de Coimbra. No ano de 2010 a água facturada no concelho de Coimbra é igual a m 3. 62

79 Estudo de Caso CAPÍTULO 5 Considerou-se apenas 70% da água facturada, uma vez que a área de influência da ETAR do Choupal corresponde a cerca de 70% do município, ou seja, cerca de 70% da população do município de Coimbra drena as suas águas residuais para a ETAR do Choupal. Como nem toda a água distribuída atinge a rede de águas residuais, torna-se necessário ter em conta um factor de afluência à rede. O factor de afluência é definido como o quociente entre o volume afluente à rede de águas residuais e o volume de água consumida (Marques et al., 2008). No respectivo estudo adoptou-se 0,8 para o factor de afluência. O volume de água residual é assim obtido pelo produto entre a água facturada, a influência da ETAR do Choupal e o factor de afluência ( m 3 * 70% * 0,8), tomando assim o valor de m 3. É com base no volume de água residual que é possível determinar a média diária de água residual (Figura 5.3). A média diária de água residual é obtida através do quociente entre o volume de água residual e o período de tempo considerado no estudo (365 dias). A média diária de água residual é igual a m 3 /dia. O volume de água residual com infiltrações indirectas corresponde ao total do caudal mínimo de águas residuais (mínimo móvel), podendo também ser obtido através do produto entre a média do mínimo móvel e o período de tempo considerado no estudo (365 dias). A média do mínimo móvel é igual a ,10 m 3 /dia (Figura 5.3). Assim, o volume de água residual com infiltrações indirectas toma o valor de m 3 (22.924,10 m 3 /dia * 365 dias). Deste modo, o volume de infiltrações indirectas é obtido pela diferença entre o volume de água residual com infiltrações indirectas e o volume de água residual. O volume de infiltrações indirectas toma o valor de m 3 ( m m 3 ). O volume de infiltrações directas é obtido pela diferença entre o volume anual afluente à ETAR do Choupal e o volume de água residual com infiltrações indirectas. O volume de infiltrações directas toma o valor de m 3 ( m m 3 ). Ana Filipa Mota Mortinho 63

80 Estudo de Caso No Quadro 5.1 apresentam-se de forma sintetizada os valores obtidos por aplicação do método do mínimo móvel. Quadro Resultados obtidos por aplicação do método do mínimo móvel Volume anual afluente à ETAR (m 3 ) Volume de água residual (m 3 ) Média diária de água residual (m 3 /dia) Média do mínimo móvel (m 3 /dia) ,10 Volume de água residual com infiltrações indirectas (m 3 ) Volume de infiltrações indirectas (m 3 ) % de Infiltrações indirectas 18,44 Volume de infiltrações directas (m 3 ) % de Infiltrações directas 30,41 O resultado do respectivo método pode ser apresentado através de um hidrograma, tal como apresentado na Figura

81 Estudo de Caso CAPÍTULO 5 Figura Resultado do método do mínimo móvel para a ETAR do Choupal Ana Filipa Mota Mortinho 65

82 Estudo de Caso Através da Figura 5.2 é possível analisar a variação do volume diário afluente à ETAR do Choupal, o mínimo móvel e a sua média diária, bem como a média diária de água residual. Pela análise da variação do volume diário afluente à ETAR do Choupal é possível verificar que existe uma maior afluência de caudal durante os meses de Inverno, existindo uma diminuição significativa durante os meses de Verão. Este facto é facilmente compreensível, uma vez que é nos meses de Inverno que existe uma maior ocorrência de eventos pluviométricos, conduzindo assim à existência de infiltrações directas. Como parte significativa da rede de Coimbra é unitária, nos meses de Inverno existe uma maior afluência de caudal à ETAR. Nos meses de Verão verifica-se uma diminuição significativa do caudal afluente à ETAR do Choupal, uma vez que no período de Verão existe uma diminuição da ocorrência de eventos pluviométricos, conduzindo desta forma a uma menor afluência de caudal à ETAR. Outro aspecto importante é o facto de em Coimbra existir, nos meses de Verão, uma diminuição significativa do número de pessoas, levando desta forma a que exista um menor volume de água residual, que por sua vez conduz a uma diminuição do mínimo móvel. Da Figura 5.2 é possível obter as seguintes conclusões: a área que se encontra por baixo da linha que representa a média diária de água residual indica o volume anual de água residual; a área que se encontra por baixo da linha que representa o mínimo móvel indica o volume anual de água residual incluindo a infiltração indirecta obtida através do mínimo móvel; a área que se encontra por baixo da linha que representa o volume diário indica o volume anual de água que aflui à ETAR Método do triângulo O método do triângulo tem como principal objectivo estimar as várias componentes do caudal afluente a uma dada ETAR. Assim, é possível fazer a separação entre o caudal médio de origem doméstica, as infiltrações directas (escoamento superficial) e indirectas. 66

83 Estudo de Caso CAPÍTULO 5 A série cronológica dos registos pluviométricos e de caudais diários afluentes à ETAR do Choupal, no ano de 2010, encontra-se representada na Figura 5.3. Figura Diagrama cronológico de caudais medidos na ETAR do Choupal e da precipitação registada durante o ano de 2010 (eixo inferior - caudal; eixo superior - precipitação) Ana Filipa Mota Mortinho 67