VAZÕES CRÍTICAS PARA ESTUDOS AMBIENTAIS EM CORPOS D ÁGUA: A Q 7,10 NA LEGISLAÇÃO E A INFLUÊNCIA DO TEMPO DE RETORNO E DO PERÍODO DE DURAÇÃO DA MÍNIMA

Transcrição

1 VAZÕES CRÍTICAS PARA ESTUDOS AMBIENTAIS EM CORPOS D ÁGUA: A Q 7,10 NA LEGISLAÇÃO E A INFLUÊNCIA DO TEMPO DE RETORNO E DO PERÍODO DE DURAÇÃO DA MÍNIMA Cristiane Peixoto Vieira (1) Engenheira Civil - Especialista em Hidráulica de Barragens pela UFOP e em Hidrologia Geral e Aplicada (CEDEX-Madri-Espanha) - Mestranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG. Maria Helena Domingues Ramos Engenheira Civil - Mestranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG. Marcos von Sperling Engenheiro civil. Doutor em Engenharia Ambiental pelo Imperial College, Universidade de Londres. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Consultor na área de tratamento de esgotos e controle da poluição das águas. Endereço (1) : Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - UFMG - Av. Contorno, o andar - Centro - Belo Horizonte - MG - CEP: Tel: (031) Fax: (031) sperling@africanet.com.br. RESUMO A resolução CONAMA n o 20 de 1986 indica a utilização da vazão crítica Q7,10 para a modelagem da qualidade das águas de corpos receptores. Este trabalho estuda a influência do tempo de retorno e do período de duração da vazão mínima, bem como o impacto da variação destas características na concentração máxima da DBO no despejo, visando atender o padrão do corpo receptor. Os resultados alcançados indicam que o tempo de retorno é o fator que exerce maior influência na vazão crítica, enquanto que a influência da duração da mínima é pequena. A utilização de um tempo de retorno menos restritivo que os 10 anos atualmente indicados pela legislação facilita com que possam ser adotados sistemas de tratamento mais simplificados e econômicos, como reatores UASB e lagoas de estabilização. PALAVRAS-CHAVE: Vazão Crítica, Q 7,10, Estudos Ambientais, Legislação, Qualidade da Água. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2092

2 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS A Resolução CONAMA n o 20, de 1986, principal legislação vigente no Brasil na área do controle da poluição hídrica, além de estabelecer padrões de qualidade das águas de corpos receptores, também apresenta os padrões para o lançamento de efluentes líquidos. Estando estes padrões interrelacionados, um efluente, além de satisfazer os padrões de lançamento, deve garantir o enquadramento do corpo receptor dentro de seus padrões de qualidade. No que se refere à condição crítica de vazão a ser considerada na modelagem do corpo receptor, o artigo 13 da referida Resolução indica a utilização do valor Q 7,10 (vazão mínima média de 7 dias de duração e 10 anos de tempo de retorno). Dessa forma, a Q7,10 tem sido a vazão utilizada nas simulações do oxigênio dissolvido e da DBO em corpos d água. Acreditase, no entanto, que este tempo de retorno seja bastante restritivo para as condições brasileiras, onde a falta de recursos, na maioria das vezes, conduz ao não atendimento aos padrões em um grande número de corpos d água (von Sperling, 1996). A vazão Q 7,10 é também freqüentemente utilizada nos Estados Unidos para estudos de qualidade da água em rios (Singh e Stall, 1974; ASCE, 1980). Entretanto, vazões mínimas associadas a outros intervalos de recorrência e outros períodos consecutivos de dias de recessão podem também ser utilizadas para este e outros fins (Riggs, 1972; ASCE, 1980; Arceivala, 1981). Dentro deste quadro, este trabalho tem como objetivos investigar a influência do tempo de retorno e do período de duração da mínima na determinação da vazão crítica e o impacto de diferentes valores de vazão crítica na concentração máxima de DBO no despejo, de forma a permitir o atendimento ao padrão do corpo receptor. DETERMINAÇÃO DAS VAZÕES CRÍTICAS Para a definição das situações críticas de vazão a serem utilizadas no estudo proposto, foi feita uma análise dos registros de vazões diárias de 4 estações hidrométricas localizadas em rios de grande porte no centro-sul do estado de Minas Gerais. Portanto, estas estações representam uma dada região do estado, com características hidrológicas distintas de outras regiões que não foram abordadas neste estudo. A escolha dos dados para um estudo de vazões mínimas deve considerar a sua qualidade e quantidade. As estações selecionadas para este trabalho encontravam-se disponíveis com dados diários de vazões consistidos e períodos de registro maiores que 20 anos de observações. A Tabela1 resume algumas características destas estações, fornecidas pela CEMIG. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2093

3 Tabela 1 - Características das estações hidrométricas utilizadas. Estação Capim Branco Porto Andorinhas Porto Pará Santa Juliana Curso d água Rio Araguari Rio São Francisco Rio Pará Rio Araguari Lat. Long. Área de Drenagem Período de Registros Número de anos utilizados km km km km Na região Sudeste do Brasil e, particularmente, no estado de Minas Gerais, o período de estiagem, em geral, tem início no mês de maio e estende-se até os meses de setembro/outubro. Dessa forma, a utilização do ano hidrológico (outubro a setembro) para a seleção das vazões mínimas anuais, conforme observa-se nos estudos de vazões máximas, poderia ocasionar a separação do período de estiagem em partes incompletas. Portanto, para a obtenção dos dados deste estudo, foi adotado o ano civil (janeiro a dezembro), tendo em vista que este abrange um período de estiagem completo. A partir das séries históricas foram obtidas as vazões mínimas anuais através da determinação da média móvel de cada ano, considerando períodos consecutivos de 1, 7, 10 e 1 dias de duração. De posse dos valores das vazões mínimas, foi feita uma análise de freqüência das vazões para cada caso. A curva de freqüência pode ser definida graficamente ou matematicamente através do ajuste de uma distribuição teórica aos dados. Na prática, várias são as distribuições teóricas utilizadas para descrever a freqüência de vazões mínimas. Tucci (1981), por exemplo, cita estudos onde foram aplicadas distribuições como as de Gumbel, Log-normal, Gama, Normal, Weibull, Log-Pearson Tipo III, entre outras, a rios americanos e rios no estado de São Paulo. No presente estudo, foram aplicadas as distribuições Normal, Log-normal e Weibull. Através da plotagem dos dados foi possível avaliar o ajuste gráfico destas distribuições teóricas, conforme técnicas apresentadas em Steginger et al (1992), nas quais se baseiam os papéis de probabilidade. A distribuição de Weibull foi a que melhor se ajustou aos dados. A curva de freqüência permite relacionar as vazões e os respectivos tempos de retorno. O inverso deste tempo de retorno representa a probabilidade de que ocorram valores menores que a vazão correspondente na curva de freqüência. Para este trabalho, foram escolhidos os valores de 2, 3, e 10 anos de recorrência, visando estudar alternativas menos restritivas que os 10 anos atualmente utilizados no cálculo da vazão crítica Q 7,10. Os resultados obtidos para cada estação estudada encontram-se na Tabela 2, em termos de vazões específicas, ao passo que a Figura 1 permite visualizar o comportamento das variáveis envolvidas. A Tabela 3 apresenta a variação relativa das descargas específicas, referenciadas a um valor unitário para a Q 7, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2094

4 Tabela 2 - Vazões específicas médias mínimas anuais (l/s.km 2 ) obtidas para diferentes tempos de retorno e duração da mínima. TR (anos) 1 dia 7 dias 10 dias 1 dias TR (anos) 1 dia 7 dias 10 dias 1 dias Capim Branco Porto Pará 2 7,18 7,43 7,8 7,89 2 4,39 4,71 4,78 4,91 3 6,18 6,43 6,8 6,87 3 3,73 4,00 4,0 4,1,24,48,63,90 3,12 3,33 3,37 3,4 10 4,2 4,48 4,62 4, ,49 2,6 2,67 2,73 Porto Andorinhas Santa Juliana 2 4,44 4,7 4,6 4,81 2 7,63 8,37 8,62 8,9 3 3,7 3,87 3,94 4,0 3 6,6 7,29 7,2 7,8 3,12 3,22 3,27 3,34, 6,2 6,47 6, ,47 2, 2,9 2, ,0,1,3,64 Vazão Espec. (l/s.km2) Estação Capim Branco Tr = 2 anos Tr = 3 anos Tr = anos Tr = 10 anos Duração (dias) Vazão Espec. (l/s.km2) 4 3 Estação Porto Andorinhas Duração (dias) Tr = 2 anos Tr = 3 anos Tr = anos Tr = 10 anos Estação Porto Pará Estação Santa Juliana Vazão Espec. (l/s.km2) Duração (dias) Tr = 2 anos Tr = 3 anos Tr = anos Tr = 10 anos Vazão Espec. (l/s.km2) Tr = 2 anos Tr = 3 anos Tr = anos Tr = 10 anos Duração (dias) Figura 1 - Vazões específicas mínimas em função do tempo de retorno e da duração da mínima. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 209

5 Tabela 3- Variação relativa das descargas específicas referenciadas à Q7,10 para diferentes tempos de retorno e duração da mínima. TR (anos) 1 dia 7 dias 10 dias 1 dias TR (anos) 1 dia 7 dias 10 dias 1 dias Capim Branco Porto Pará 2 1,6 1,7 1,7 1,8 2 1,7 1,8 1,8 1,9 3 1,4 1,4 1, 1, 3 1,4 1, 1, 1,6 1,2 1,2 1,3 1,3 1,2 1,3 1,3 1,3 10 1,0 1,0 1,0 1,1 10 0,9 1,0 1,0 1,0 Porto Andorinhas Santa Juliana 2 1,7 1,8 1,8 1,9 2 1, 1,6 1,7 1,7 3 1, 1, 1, 1,6 3 1,3 1,4 1, 1, 1,2 1,3 1,3 1,3 1,1 1,2 1,3 1,3 10 1,0 1,0 1,0 1,0 10 0,9 1,0 1,0 1,1 Uma análise dos valores da Tabela 2 e dos gráficos da Figura1 permite concluir que a variação dos valores de vazões mínimas sofre uma maior influência do tempo de retorno. A pequena influência da duração da mínima reflete a pequena variação das vazões no período de estiagem. Este fato pode ser geralmente observado nos rios da região em estudo. Os resultados da Tabela 3 conduzem às mesmas conclusões. Nestas quatro estações fluviométricas analisadas, a vazão mínima pode ser até 1,9 vezes superior à Q 7,10 (ex: Q 1,2 em Porto Andorinhas e Porto Pará). INFLUÊNCIA DA VAZÃO MÍNIMA SOBRE A DBO Para a realização de uma análise simplificada dos diferentes valores de vazão crítica na assimilação de esgotos domésticos foi escolhido o parâmetro DBO. Esta escolha deve-se à sua inconteste importância e ao fato deste parâmetro ser de fácil modelagem e apresentar concentração máxima no ponto de lançamento. A simulação do oxigênio dissolvido não foi incluída no presente trabalho por ser mais complexa, necessitando de diversos dados do curso d água, o que foge ao escopo do trabalho. O valor da DBO resultante da mistura do esgoto com o rio pode ser calculado sendo conhecidas as características do esgoto a ser lançado e as do curso d'água: DBO mistura DBO * Q DBO * Q esgoto esgoto rio rio Q esgoto Q rio (1) A situação analisada assume que o rio pertence à classe 2 e encontra-se totalmente limpo a montante do lançamento (DBO rio = 0 mg/l). Conforme os padrões de qualidade para a classe 2, segundo a Resolução CONAMA n o 20, 18/06/86, tem-se para o parâmetro DBO o padrão de mg/l (DBO mistura = mg/l). O padrão de lançamento para a DBO, segundo a legislação do estado de Minas Gerais (COPAM, 1986), é de 60 mg/l (DBOesgoto = o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2096

6 mg/l). Considerou-se o atendimento simultâneo do padrão do corpo receptor (DBOmistura = mg/l) e do padrão de lançamento (DBO esgoto = 60 mg/l) como ocorrendo apenas em condições de Q 7,10. O rearranjo da Equação 1, tendo como incógnita a DBO do esgoto, é apresentado na Equação 2 para a DBO mistura = mg/l e DBO rio = 0mg/l. Nesta equação, Q rio é expresso como Q d,t, ou seja, a vazão correspondente à duração d e ao tempo de retorno t. Os valores de Q d,t podem ser obtidos através das descargas específicas apresentadas na Tabela 2 e das áreas de drenagem apresentadas na Tabela 1. DBO onde, esgoto Qesgoto Qd t *, Q esgoto (2) Q esgoto DBOmistura DBOrio * Qrio ( 0) * Q ( 60 ) DBOesgoto DBOmistura 7, 10. Q 7, 10 A Tabela 4 apresenta os resultados de DBO do esgoto obtidos (valores máximos permissíveis para o efluente), de forma a permitir o atendimento do padrão de DBO do corpo receptor ( mg/l). Tabela 4 - Concentração máxima de DBO esgoto (mg/l) para atendimento ao padrão do corpo receptor (DBO = mg/l) para diferentes tempo de retorno e duração da mínima. TR (anos) 1 dia 7 dias 10 dias 1 dias TR (anos) 1 dia 7 dias 10 dias 1 dias Capim Branco Porto Pará Porto Andorinhas Santa Juliana Em todas as estações, o valor de 60 mg/l corresponde a um lançamento em um curso d água em condições de Q 7,10. A interpretação da Tabela 4 permite a inferência de importantes pontos. Da mesma forma que com a vazão crítica, a influência do tempo de retorno na concentração máxima permissível de DBO no efluente é marcante. Caso se considere um tempo de retorno inferior a 10 anos (ex: 2 anos - Q 7,2 ), o valor máximo no efluente pode ser aumentado consideravelmente, ainda assim permitindo o atendimento ao padrão de DBO no corpo receptor ( mg/l). Nestas condições, segundo a Tabela 4, os valores de DBO do efluente 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2097

7 variam entre 94, 96, 103 e 104 mg/l nas quatro estações. A implicação de tal fato é que sistemas de tratamento que situam-se em um limiar de não atendimento aos padrões de lançamento de 60 mg/l, como reatores UASB e lagoas de estabilização, passam a satisfazer às condições menos exigentes de concentrações efluentes entre 94 e 104 mg/l. Analisando um outro aspecto, para este mesmo tempo de retorno de 2 anos e utilizando-se a duração de 1 dia (Q 1,2 ), estes valores apresentam pouca variação, uma vez que a influência da duração da mínima é pequena. No entanto, as vazões mínimas de 1 dia de duração podem ser obtidas dos registros fluviométricos disponíveis de forma mais simples e imediata, o que pode se tornar uma vantagem adicional, no sentido da simplificação dos cálculos, dispensando a determinação das médias móveis da série histórica de vazões. Considerando-se a realidade de nosso país, com a grande dificuldade no atendimento aos padrões, poderia ser considerado como um incentivo adicional à implantação de sistemas mais simplificados, econômicos e viáveis, caso o tempo de retorno admitido nos estudos ambientais da legislação fosse inferior a 10 anos, possivelmente 2 anos. Em um país em que grande parte dos cursos d água já está há décadas fora dos padrões devido à inexistência de tratamento de esgotos, a possibilidade de se ter um eventual descumprimento do padrão a cada dois anos não parece uma situação de grande preocupação. Quando, no futuro, a nossa situação ambiental melhorar, pode-se considerar a adoção de tempos de retorno superiores. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Tendo em vista as análises efetuadas e os resultados obtidos, pode-se concluir que: o tempo de retorno é o fator que exerce maior influência na variação das vazões médias mínimas anuais de 1, 7, 10 e 1 dias de duração; o tempo de duração da mínima resulta em uma influência bastante pequena na vazão crítica; a adoção de 1 dia de duração da mínima facilita a obtenção da vazão crítica; a adoção de um tempo de retorno menos restritivo que os 10 anos da Q 7,10 permitiriam a aceitação de valores de DBO efluentes superiores a 60 mg/l, viabilizando a adoção de sistemas de tratamento mais simplificados e econômicos, como reatores UASB e lagoas de estabilização. Deve-se ressaltar que as presentes conclusões foram embasadas na análise de apenas quatro estações hidrométricas, situadas em cursos d água aproximadamente homogêneos no Estado de Minas Gerais. De forma a ampliar a abrangência das conclusões, é importante a realização de estudos similares em cursos d água situados em regiões distintas e melhor distribuídas geograficamente no território nacional. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2098

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ARCEIVALA (1981). Wastewater treatment and disposal. New York, Marcel Dedder, 892p. 2. ASCE, Task Committee on Low-Flow Evaluation, Methods, and Needs (1980). Characteristics of Low Flows. Journal of the Hydraulics Division, vol. 106, n HY, p CONAMA (1986). Resolução n 20. Conselho Nacional do Meio Ambiente, 18/06/ COPAM (1986). Deliberação Normativa n 10. Conselho de Política Ambiental do Estado de Minas Gerais.. RIGGS, H. C. (1972). Low Flow Investigations. U. S. Geological Survey Techniques of Water Resources Investigations, Book 4, Chapter B1, U. S. Geological Survey, Washington, D.C. 6. SINGH, K. P., e STALL, J. B. (1974). Hydrology of 7-Day 10-Year Low Flows. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, vol. 100, n HY12, p STEGINGER, J. R., VOGEL, R. M. e FOUFOULA-GEORGIOU, E. (1992). Frequency Analysis of Extreme Events. In Maidment, D.R.(ed), Handbook of Hydrology. 8. TUCCI, C.E.M. (1981). Vazão Mínima: Revisão de Métodos. In: IV Simpósio Brasileiro de Hidrologia e Recursos Hídricos. Fortaleza, 1-19 nov VON SPERLING, M. (1996). Padrões de efluentes adotados no Brasil. In: Seminário Internacional. Tratamento e disposição de águas residuárias. Tecnologias e perspectivas para o futuro. Brasília-DF, julho p o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2099