IX-006 CONCENTRAÇÃO DE SEDIMENTOS EM SUSPENSÃO EM UMA PEQUENA BACIA HIDROGRÁFICA EM URBANIZAÇÃO

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1 IX-006 CONCENTRAÇÃO DE SEDIMENTOS EM SUSPENSÃO EM UMA PEQUENA BACIA HIDROGRÁFICA EM URBANIZAÇÃO Eloiza Maria Cauduro Dias de Paiva (1) Engenheira Civil pela Universidade Federal de Santa Maria. Mestre em Hidráulica e FOTO Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Doutora em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade NÃO Federal do Rio Grande do Sul. Professora do Departamento de Hidráulica e Saneamento da DISPONÍVEL Universidade Federal de Santa Maria. João Batista Dias de Paiva (2) Prof. Tit. do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Universidade Federal de Santa Maria. Marcel Felipe Tonetto Costas (3) Aluno de mestrado do Curso de Pós Graduação em Engenharia Civil, área de concentração de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Fabrício Almeida dos Santos (4) Bolsista de iniciação científica do CNPq, HDS/UFSM. Endereço (1) : Depto. de Hidráulica e Saneamento, Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Santa Maria, Campus Universitário, Camobi, - Santa Maria - RS - CEP: Brasil - Tel: (55) eloiza@ct.ufsm.br RESUMO Num período de 8 meses foi realizado monitoramento hidrossedimentométrico de uma bacia hidrográfica de 1,5 km 2, em processo de urbanização. Neste trabalho são apresentados resultados de concentração de sedimentos durante eventos de cheia, obtidos a partir de amostras coletadas com amostrador de nível ascendente automático ANA. É apresentado resultado de uma medição, em período de vazões baixas, com amostrador manual AMS-1. Estes resultados apresentaram variação significativa da concentração de sedimentos na seção transversal. Apesar das limitações da amostragem do amostrador automático, a utilização desse equipamento permitiu a aquisição de informações importantes, em horários com dificuldade de coleta e com custo muito baixo. Foram observados treze eventos de cheia, que forneceram média de 2596 mg/l, desvio padrão de 1904 mg/l, valor máximo observado de 8455 mg/l e mínimo observado de 506 mg/l, para a concentração de sedimentos. A parcela de sólidos orgânicos representou 7% dos sólidos totais. A variação da concentração de sedimentos com o tempo apresentou comportamento diferenciado da vazão. Foi constatado picos de concentração de sedimentos, no início da cheia, que provavelmente correspondam a carga de lavagem das ruas, e a seguir um comportamento acompanhando as variações de vazão. Estas informações, embora preliminares e com problemas de amostragem, mostram a importância de se buscar o acompanhamento completo do hidrograma de sedimentos, na avaliação da produção de sedimentos em bacias urbanas. PALAVRAS-CHAVE: drenagem urbana, concentração de sedimento, hidrologia urbana, monitoramento. INTRODUÇÃO A urbanização provoca um aumento na quantidade de poluentes nas bacias hidrográficas, destacando-se os sedimentos, óleos, fertilizantes, pesticidas, etc. O aumento da velocidade e volume da água pode causar muitos impactos, destacando-se a erosão das margens dos rios, aumento da turbidez, poluição e temperatura da água. Estes efeitos, além de prejudicar o corpo d água receptor, interferem nas condições sanitárias das populações ribeirinhas. A avaliação da produção de sedimentos em bacias urbanas apresenta grandes dificuldades. Existem muito poucos dados de produção de sedimentos em bacias urbanas, sendo que alguns estudos apontam, conforme ABES Trabalhos Técnicos 1

2 Ramos (1995), para um aumento de 5, 10 e até 50 vezes a produção de sedimentos da bacia hidrográfica original. Conforme Matos et al (1998), os parâmetros poluentes mais representativos na drenagem urbana parecem ser as partículas (sólidos em suspensão), os metais (sobretudo chumbo, zinco e ferro) e os hidrocarbonetos. Eles apresentam comparação entre valores de zona urbana e rural, que no caso de sólidos suspensos, os valores médios são de 26 mg/l na zona rural e 220 mg/l na zona urbana. No entanto, tais valores podem ser bastante variáveis, Gomes e Chaudhry (1979) encontraram em duas pequenas bacias hidrográficas de São Carlos, SP, concentrações de sólidos totais variando de 171 mg/l a 3499 mg/l. De Luca et al (1991) também observaram que a drenagem pluvial de uma bacia de 1,8 ha na área urbana de Porto Alegre era mais rica em materiais minerais. A concentração de sólidos totais neste caso variou de 160 a mg/l, com média de 1522 mg/l. Resultados obtidos em bacias hidrográficas rurais em Santa Maria, conforme Branco et al (1998), mostraram uma variação de 20 a 1200 mg/l para a concentração de sedimentos medida, enquanto Paiva et al (2000) apresentam valores que chegam a atingir mg/l, para a mesma região. Para avaliação da concentração de sedimentos em suspensão da água da chuva é necessário a coleta da água em eventos de cheia. O que não é uma tarefa muito fácil no caso de pequenas bacias urbanas, uma vez que os eventos ocorrem em poucas horas e muitas vezes durante a noite, que normalmente impossibilita qualquer avaliação. Para a devida coleta de tais informações são necessários amostradores de qualidade da água automáticos. Este trabalho apresenta resultados de concentração de sedimentos em suspensão de uma pequena bacia hidrográfica em urbanização, durante eventos de cheia. A BACIA HIDROGRÁFICA UTILIZADA Na cidade de Santa Maria, como na maioria das cidades brasileiras, os problemas de drenagem urbana são bastante marcantes. Com a finalidade de quantificar os problemas locais de drenagem urbana na cidade, vem sendo monitorada uma pequena bacia hidrográfica em urbanização, desde 1999, no bairro de Camobi. A bacia hidrográfica Alto da Colina é uma bacia pequena, tem uma área de 1,50 km 2 e perímetro de 4,9 km. Possui pouca declividade, 4,98 % e uma diferença de altitude de 20 m entre a nascente e a foz. O rio principal possui 1,83 km de comprimento e declividade de 0,007 m/m. A cobertura vegetal é composta de mata de eucaliptos (12,3%), área urbanizada (19,7%), pastagens (55,4%) e área de cultivo de soja, milho e feijão (12,6%). Possui no seu interior pequeno reservatório, pequenas propriedades e muitas estradas de terra. O solo possui permeabilidade de média a baixa. Está localizada nas coordenadas geográficas 53Β43 37 de latitude sul e 29Β41 70 de longitude oeste, às margens da rodovia RS-509. A figura 1 apresenta mapa da bacia. MONITORAMENTO HIDROSSEDIMENTOMÉTRICO Encontra-se em operação estação fluviométrica, com registrador eletrônico de nível com data-logger, onde são realizadas medidas de vazão para construção da curva-chave e estação pluviométrica, provida de pluviógrafo eletrônico com data-logger. A figura 1 apresenta a localização destas estações na bacia. Para a determinação da concentração de sedimentos foram coletadas amostras através de um amostrador de nível ascendente automático ANA (Umezawa, 1979), que corresponde ao US-U-59 citado pelo SUBCOMMITTEE ON SEDIMENTATION (1963), durante a elevação do nível de água por ocasião de cheias. Foram instaladas 7 garrafas para coleta da água, a cada 14 cm de profundidade, iniciando na cota 0,53 m, que corresponde a uma vazão de 0,73 m 3 /s e terminando na cota 1,51 m, que corresponde a uma vazão de 7,35 m 3 /s. A figura 2 apresenta fotografia deste amostrador no campo. Uma vez que as precipitações máximas da região ocorrem durante a noite, a utilização deste amostrador foi de grande utilidade, permitindo a coleta de amostras de água em horários que apresentam dificuldade de coletas manuais, apesar da amostra representar a concentração de sedimentos em uma faixa compreendida entre a 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 superfície e um ponto localizado à aproximadamente 15 cm abaixo da superfície da água, durante a subida da onda de cheia. A concentração de sedimentos em suspensão foi realizada em laboratório, através do método da filtração, conforme recomendação do Task Committee (1969). Foram determinados sólidos totais dissolvidos e sólidos suspensos fixos. ABES Trabalhos Técnicos 3

4 10 10 CEEE-AT Escala Convenções ÁREA DE CULTIVO LIMITE DA BACIA HIDROGRÁFICA EM ESTUDO ESTRADAS/RUAS EUCALIPTOS REDE DE DRENAGEM CURVAS DE NÍVEL (EQUIDISTÂNCIA:10 m) Figura 1: Mapa de localização da Bacia Hidrográfica Alto da Colina 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Figura 2. Detalhe de instalação do amostrador de nível ascendente automático ANA RESULTADOS OBTIDOS NO PERÍODO Com a finalidade de apresentar informações sobre o regime fluvial, são apresentados os gráficos das figuras 3 e 4, que apresentam a precipitação diária na estação pluviográfica Vila Maria e as vazões instantâneas na estação fluviográfica Alto da Colina, respectivamente. A vazão mínima observada foi de 0,0033 m 3 /s. ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Precipitação (mm) /05/00 10/05/00 11/04/00 12/04/00 01/03/01 02/02/01 03/04/01 04/03/01 Dia Figura 3. Gráfico da precipitação diária, na estação pluviográfica Vila Maria /09/00 01/10/00 31/10/00 30/11/00 30/12/00 29/01/01 28/02/01 30/03/01 29/04/01 dia Figura 4. Gráfico das vazões instantâneas na estação fluviográfica Alto da Colina. Foram coletadas amostras de água, através do amostrador de nível ascendente automático ANA, em 13 eventos de chuva, no período de setembro de 2000 a abril de Da mesma forma que apresentado na bibliografia, os sólidos orgânicos representaram somente 7% dos sólidos totais e esta relação manteve-se constante, como pode-se observar na figura 5. Os valores observados de concentração de sedimentos (sólidos totais) apresentaram média de 2596 mg/l, desvio padrão de 1904 mg/l, valor máximo observado de 8455 mg/l e mínimo observado de 506 mg/l, nos eventos chuvosos. A figura 6 apresenta gráfico que relaciona a concentração de sedimentos com a vazão (m 3 /s). Pode-se observar que a correlação não foi satisfatória, impossibilitando a determinação da curva chave de sedimentos. Tendo em vista as dimensões da bacia e a 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 diversidade de uso do solo, as contribuições apresentam grande dependência do período analisado. Paiva et al (2001), utilizando esta metodologia para uma pequena bacia rural, observou que embora o conjunto de dados não se correlacionassem, quando foram utilizados dados de eventos isolados a correlação cota x concentração e cota x vazão ficou na faixa de 90%. No entanto, neste caso esta constatação não foi verificada Sólidos Totais (mg/l) y = x R 2 = Sólidos Fixos (mg/l) Figura 5. Relação entre a concentração de sólidos totais e sólidos fixos. concentração de sedimentos (mg/l) Figura 6. Relação entre concentração de sedimentos (mg/l) e vazão (m 3 /s). As figuras 7 a 10 apresentam gráficos durante eventos de chuva, relacionando a vazão e a concentração de sedimentos no tempo. Pode-se constatar um comportamento semelhante, que também é o caso dos outros eventos não apresentados. A concentração de sedimentos no início da cheia é bastante elevada, apresentando um pico, que possivelmente corresponde a carga de lavagem das ruas, verificando-se a seguir uma redução do valor da concentração de sedimentos, comparativamente com o acréscimo da vazão. Estas constatações justificam a dificuldade de construção de curva-chave de sedimentos, uma vez que a carga inicial depende ABES Trabalhos Técnicos 7

8 das condições de chuva antecedente, intensidade da chuva e carga disponível para transporte, fatores estes que apresentam grande variação nos diversos eventos concentração de sedimentos (g/l) :28 18:43 18:57 19:12 19:26 19:40 19:55 20:09 20:24 tempo (horas) - dia 18/09/2000 Figura 7. Gráfico da concentração de sedimentos (g/l) e vazão (m 3 /s), no evento do dia 18/09/ tempo (horas) - dia 07/01/ :56 horas concentração de sedimentos (g/l) Figura 8. Gráfico da concentração de sedimentos (g/l) e vazão (m 3 /s), no evento do dia 7/01/ ABES Trabalhos Técnicos

9 concentração de sedimentos (g/l) :09 8:24 8:38 8:52 9:07 9:21 tempo (horas) - dia 12/02/2001 Figura 9. Gráfico da concentração de sedimentos (g/l) e vazão (m 3 /s), no evento do dia 12/02/ concentração de sedimentos (g/l) 5:52 6:00 6:07 6:14 6:21 6:28 tempo (horas) - dia 12/04/2001 Figura 10. Gráfico da concentração de sedimentos (g/l) e vazão (m 3 /s), no evento do dia 12/04/2001. A utilização de amostrador automático de nível ascendente apresentou algumas dificuldades operacionais na seção em estudo. Tais dificuldades estão relacionadas a utilização em bacia urbana, onde são lançados grande quantidade de detritos, que interferem no enchimento das garrafas de amostragem. Desta forma, ocorreram eventos em que alguma garrafa de amostragem intermediária não conseguiu coletar água devido a detritos retidos pelo próprio aparelho. Com a finalidade de comparar a representatividade da coleta com amostrador ANA, uma vez que a coleta é feita nas margens da seção transversal, foi procedida uma medição em três verticais, centro e nos terços médios, da seção transversal, com amostrador manual AMS-1. Este aparelho permite a retirada de amostras integradas na profundidade, em verticais representativas da seção. Os valores de concentração de sedimentos foram 115 mg/l no centro e 14 mg/l e 22 mg/l nos terços médios. Embora estes valores tenham sido coletados em período de vazão baixa, é esperado que as amostras coletadas com amostrador ANA apresentem resultados inferiores aos obtidos com coletas integradas na seção transversal. ABES Trabalhos Técnicos 9

10 CONCLUSÕES Foram coletados e analisados resultados de concentração de sedimentos em suspensão, durante eventos chuvosos, de uma pequena bacia hidrográfica em urbanização, através de amostrador de nível ascendente automático ANA. Este amostrador apresentou dificuldades de operação em bacias urbanas, devido a retenção de detritos. Resultados coletados com AMS-1, em diversas verticais da seção transversal, mostrou que a concentração de sedimentos no centro é significativamente maior que nas demais verticais, em período de vazões baixas. É esperado que durante as cheias estes valores sejam mais uniformes, o que pode trazer uma melhor representatividade da coleta com amostrador ANA. Os resultados de concentração de sedimentos durante 13 eventos chuvosos forneceram valores semelhantes aos encontrados na bibliografia. A concentração de sólidos fixos é preponderante em relação aos sólidos voláteis. Não foi possível ajustar curva-chave de sedimentos, uma vez que a variação da concentração de sedimentos com o tempo apresentou comportamento diferenciado da vazão. A concentração de sedimentos apresentou um pico no início do evento, possivelmente correspondente a carga de lavagem das ruas, passando a seguir a variar em concordância com a vazão. Estas informações, embora preliminares e com problemas de amostragem, mostram a importância de se buscar o acompanhamento completo do hidrograma de sedimentos, na avaliação da produção de sedimentos em bacias urbanas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BRANCO,N. Avaliação da produção de sedimentos de eventos chuvosos em uma pequena bacia hidrográfica rural de encosta. Santa Maria RS. 118p. (Dissertação de Mestrado) Curso de Pósgraduação em Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Santa Maria, BRANCO,N.; PAIVA,J.B.D.; PAIVA,E.M.C.D. Produção de sedimentos da bacia hidrográfica do Arroio Vacacaí Mirim Avaliação Preliminar. In: CONGRESO NACIONAL DEL AGUA, 17, SIMPOSIO DE RECURSOS HIDRICOS DEL CONOSUR, 2, 1998, Santa Fé, Argentina. Anais. Santa Fé, 1998, v.3, p DE LUCA,S.J.; MILANO,L.B.; IDE,C.N. Rain and urban stormwater quality. Wat. Sci. Tech. Kyoto, v.23, pp , FREDERICK,R.; GOO,R.; CORRIGAN,M.B. et al Economic Benefits of Urban Runoff Controls. In: WATERSHED 96, 1996, Baltimore. Anais. Baltimore: EPA, 1996, 5p. 5. GOMES,L.A.; CHAUDHRY,F.H. Aspectos qualitativos das águas pluviais urbanas. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 11, 1981, Fortaleza. 6. KORNITZ,D. Hydrometric stations in arid zones. In: SYMPOSIUM ON HYDROMETRY, 1973, Paris. Anais. Koblenz: International Association of Hydrological Sciences, v.1, p MATOS,J.S.; DAVID,L.M.; PAVÃO,L. Qualidade de escorrências pluviais em zonas urbanas e impacte em meios receptores. In: SIMPÓSIO LUSO-BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 8, 1998, João Pessoa. Anais. Rio de Janeiro: ABES, 1998, v.2, p PAIVA,E.M.C.D.; PAIVA,J.B.D.; PARANHOS,R.M. Produção de sedimentos em pequenas bacias hidrográficas rurais. IV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE SEDIMENTOS, Caracterização quali-quantitativa da produção de sedimentos. Santa Maria: ABRH/UFSM, 2001, v.1, p PAIVA,J.B.D.; PAIVA,E.M.C.D.; PARANHOS,R.M.; EMMR,R. Curvas chave de vazões e de sedimentos de pequenas bacias hidrográficas rurais. IV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE SEDIMENTOS, Caracterização quali-quantitativa da produção de sedimentos. Santa Maria: ABRH/UFSM, 2001, v.1, p RAMOS,C.L. Erosão urbana e produção de sedimentos. In: TUCCI,C.E.M.; PORTO,R.L.; BARROS,M.T. Drenagem urbana. Porto Alegre: ABRH/Editora da Universidade/UFRGS, 1995, Cap.2, p SUBCOMMITTEE ON SEDIMENTATION. Inter-Agency Committee on Water Resources. Determination of fluvial sediment discharge. Minneapolis: Saint Anthony Falls Hydraulic Lab Report n o TASK COMMITTEE ON PREPARATION OF SEDIMENTATION MANUAL. Sediment measurement techniques: F. :Laboratory procedures. Journal of the Hydraulics Division, New York, v.95, n.5, p , ABES Trabalhos Técnicos

11 13. UMEZAWA,P.K. Previsão de deplúvio (washload) em rios de áreas elevadas. Porto Alegre RS. 217p. (Dissertação de mestrado) Curso de Pós-graduação em Hidrologia Aplicada, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, ABES Trabalhos Técnicos 11