AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DA DISPERSÃO DE SAIS POR ESCOAMENTO SUPERFICIAL LAMINAR SOB CHUVA SIMULADA EM SUPERFÍCIES PERMEÁVEIS.

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1 AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DA DISPERSÃO DE SAIS POR ESCOAMENTO SUPERFICIAL LAMINAR SOB CHUVA SIMULADA EM SUPERFÍCIES PERMEÁVEIS. Juliana Caroline de Alencar da Silva 1 ; João Luís Mendes Pedroso de Lima 2 ; João Rafael Cardoso Brito Oliveira Abrantes 2 ; Monica Ferreira do Amaral Porto 1. 1 Universidade de São Paulo, Escola Politécnica, Depto de Engenharia Hidráulica e Ambiental. 2 Centro de Investigação Marinha e do Ambiente (IMAR-CMA), Universidade de Coimbra, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Depto de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente. RESUMO: Corpos d água em bacias, onde há ação antrópica, estão sujeitos às cargas poluentes, resultantes dos processos existentes nestas, dentre as quais se destaca a carga difusa, que, devido à sua origem dispersa na bacia e afluência ao corpo d água nos eventos chuvosos, tem seu controle dificultado, demandando ações integradas em toda a bacia. Neste contexto, é crescente a preocupação com a poluição proveniente de fontes difusas, que afeta a qualidade da água em áreas urbanas e agrícolas, demandando cada vez mais estudos relativos à dispersão de poluentes através do escoamento superficial, a fim de conhecer melhor tais processos, auxiliando desta forma no desenvolvimento de metodologias que visem à conservação, preservação e recuperação de corpos d água. O presente estudo, contemplou a realização de experiências laboratoriais em canal de terra, sob chuva simulada, com a aplicação de diferentes tratamentos para avaliação da influência da concentração espacial no transporte de sais por escoamento superficial laminar. Tal estudo demonstrou a importância do controle do escoamento nos primeiros instantes de chuva, já que este é responsável pelo aporte da maior parcela da carga poluidora, como mostrou os resultados obtidos para cada um dos tratamentos empregados. PALAVRAS CHAVE: Poluição difusa, escoamento superficial, qualidade da água, recursos hídricos. EVALUATION OF THE DISPERSION OF SALTS IN LAMINAR FLOW UNDER SIMULATED RAIN ON PERMEABLE SURFACES. SUMMARY: Water bodies in basins where there is human action, are subject to pollutant loads resulting from these existing processes, among which stands out the nonpoint pollution, which, due to its origin and dispersed in the basin inflow to the water body in rainfall events, has hampered its control, demanding integrated actions across the pond. In this context, there is growing concern about pollution from nonpoint pollution affecting water quality in urban and agricultural areas, demanding ever more studies on the dispersion of pollutants through runoff in order to better understand these processes, thus assisting in the 2 1

2 development of methodologies aimed at the preservation and restoration of water bodies. The present study included conducting laboratory experiments on Earth channel, under simulated rainfall, with different treatments to assess the influence of spatial concentration in salt transport by overland flow laminar. This study demonstrated the importance of controlling the flow in the first moments of rain, since this contribution is responsible for the largest portion of the pollutant load, as shown by the results obtained for each of the treatments employed. KEYWORDS: Nonpoint pollution, runoff, water quality, water resources. 1 INTRODUÇÃO O desenvolvimento humano trás consigo diversos desafios no que tange a relação do homem com o meio ambiente. Se por um lado as atividades humanas tem forte poder de modificar a paisagem, por outro é acelerado o desenvolvimento das ciências que cuidam de compreender melhor os processos afetados pelo desenvolvimento humano e de buscar medidas para mitigar estes impactos gerados. O principal fator que afetam a qualidade das águas de corpos d água sobre influência antrópica é a poluição. A Lei Brasileira n.º 6.938/81 define poluição como sendo a degradação da qualidade ambiental resultante de atividades que direta ou indiretamente prejudiquem a saúde, a segurança e o bem-estar da população, além de serem ações que criem condições adversas às atividades sociais e econômicas, afetem desfavoravelmente a biota, afetem as condições estéticas ou sanitárias do meio ambiente e lancem matérias ou energia em desacordo com os padrões ambientais estabelecidos. A poluição que chega a um corpo d água pode ser caracterizada em dois tipos: pontuais, que é o tipo de fonte passível de ser caracterizada e rastreada, como por exemplo, esgotos domésticos e efluentes industriais; e difusas, que são aquelas geradas de forma distribuída ao longo da bacia contribuinte, sendo elas produzidas por inúmeros agentes poluidores, que afluem aos corpos d água por ocasião dos eventos de chuvas. A poluição difusa está diretamente relacionada com o tipo de uso e ocupação do solo, ou seja, à urbanização, práticas agrícolas, desmatamento e mineração. Em áreas rurais a carga de poluição difusa pode ser proveniente de atividades agrícolas; atividades pecuárias; silvicultura; chácaras de lazer e recreação. Já em áreas urbanas, ela pode ser gerada por residências, comércios, pólos industriais, complexos esportivos, parques, meios de transporte e resíduos atmosféricos (SMA/Prime Engenharia, 1998). Segundo Novotny (2003) os primeiros 40% de escoamento superficial podem conter 60% da carga poluidora. Em áreas urbanas os principais poluentes que afluem ao corpo d água pelo sistema de drenagem, são sedimentos, nutrientes, matéria orgânica, hidrocarbonetos e pesticidas enquanto em zonas rurais os principais poluentes são fertilizantes e pesticidas (Gastaldini & Silva, 2012). O principal problema do ligado às cargas difusas em áreas agrícolas está ligado ao uso indiscriminado de fertilizantes e produtos químicos para 2

3 controle de pragas, pois além de serem fontes de contaminação das águas subterrâneas, ao serem transportados pelo escoamento superficial podem afluir aos corpos d água e resultar em sua degradação, por exemplo, pelo excesso de nutrientes disponíveis. O monitoramento dos recursos hídricos superficiais de bacias agrícolas é importante para avaliar a velocidade dos processos de degradação e a efetividade das medidas de controle instaladas (Pinheiro & Deschamps, 2008). Segundo estudo realizado por Gebler et al. (2012) os diferentes tipos de cobertura do solo tem diferentes potenciais de retenção de contaminantes. Trabalhando com cargas de fósforo em parcelas de solo com vegetação natural (E1), árvores + solo exposto (D1), árvores + palha (C1), árvores + aveia (B1) e árvores + capina (A1) obtiveram como resultado que a concentração de fósforo no escoamento se dá na seguinte ordem: E1>D1>A1>C1>B1. Apesar da notória importância da influência da carga difusa, o problema da poluição dos corpos d água sempre se popularizou em torno das fontes de poluição pontuais, o que localiza o problema e não exige um manejo integrado de toda a bacia hidrográfica, mas em locais onde a poluição por fontes pontuais já é uma realidade do passado a preocupação com a poluição difusa vem crescendo e demandando estudos para quantificá-la, avaliá-la e eliminá-la. É o caso dos EUA, que vem aprimorando seus esforços para o controle de cargas difusas com investimentos maciços nesse setor desde 1993 (Porto, 2002). O inicio da preocupação com a poluição difusa se dá com a institucionalização da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA), na década 1970, quando surgem as primeiras pesquisas relacionadas com a poluição difusa urbana; porém este tema já vinha sendo estudado a partir do século XIX na Europa. Já no Brasil, a temática começou a ser abordada em algumas cidades brasileiras a partir da década de 1990 (Prodanoff, 2005). Portanto é notória a importância de trabalhos que abordem tal tema, contribuindo para o desenvolvimento desta ciência MATERIAIS E MÉTODOS Quando se trata de reproduzir os fenômenos naturais pode-se optar por utilizar modelos físicos em escala reduzida ou modelos matemáticos. Modelos físicos têm como vantagem serem de fácil compreensão e permitirem protótipos diversos e como desvantagens serem difíceis de duplicar e distribuir, muitas vezes demanda grande investimento financeiro para sua implantação e são de difícil modificação. Já modelos matemáticos são de mais difíceis de compreender, demandando conhecimento das ferramentas de cálculo e de recursos computacionais, no entanto são de fácil duplicação, distribuição e modificação e demandam investimentos financeiros menores (Zambon, 2012). O estudo contempla a avaliação da influência da concentração espacial no transporte de sais por escoamento superficial laminar através de experiências laboratoriais em um canal de terra sob chuva simulada, com isso 3

4 pretende-se obter modelos da dispersão do sal em cinco cenários. A Figura 1 a seguir mostra o esquema do modelo físico. A Figura 2 a seguir mostra um esquema ilustrando os cenários experimentais. Figura 1 - Esquema do modelo físico (A) Painel de controle; (B) Reservatório de nível constante; (C) Sistema de bombeamento; (D) Tubulações; (E) Aspersor; (F) Canal de terra; (G) Inclinação do canal: 10%; (I) Coletores. Fonte: Adaptado de Montenegro et al. (2013) e Figura 2 - Esquema dos cenários experimentais. Foram realizados experimentos que reproduziram cinco cenários. Primeiro cenário: Aplicação do sal de forma concentrada, à montante do centro de gravidade do canal; Segundo cenário: Aplicação do sal de forma concentrada, no centro de gravidade do canal; Terceiro cenário: Aplicação do sal de forma concentrada, à jusante do centro de gravidade do canal; Quarto cenário: Aplicação do sal de forma homogênea em uma área delimitada a partir do centro do canal de 1,50m 0,15m; Quinto cenário: Aplicação do sal de forma homogênea por todo o canal. Para os cinco cenários foram coletadas amostras em intervalos de tempo de 15 segundos durante a chuva simulada de cinco minutos e mais 5 amostragens com intervalo de 5 minutos após o termino da chuva, resultando em 26 amostras por cenário. Para todos os cenários o aspersor foi posicionado no centro de gravidade do canal. O sal utilizado no experimento foi o NaCl. Considerando a área toda do canal, serão utilizados 25g/m2 (Duarte, 2008), resultando em 22,5g de NaCl. Assim, temos para o primeiro, segundo e terceiro cenário a aplicação de 1 parcela de 22,5g; para o quarto cenário 10 parcelas de 2,25g; e para o quinto cenário 40 parcelas de 0,56g. A medição do sal transportado pelo escoamento superficial foi realizada utilizando um condutivímetro. A condutividade medida pelo aparelho em cada amostra foi relacionada à quantidade de sal transportado no intervalo de tempo em que a amostra foi coletada, desta forma foi possível construir a curva de transporte de sal para cada cenário. 4

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO: Como não há mudanças, entre os cenários, no posicionamento do aspersor, nem nas características físicas do canal (Posicionamento, declividade e dimensões) espera-se que estas variáveis mantenham o mesmo comportamento em todos os cenários. É possível observar no gráfico apresentado na Figura 3, a seguir, que o pico da concentração de sal se deu no inicio do escoamento nos cenários 2, 3, 4 e 5 após cerca de 70s de chuva simulada. Já no cenário 1 o pico da concentração de sal se deu mais deslocado após 150s do inicio da chuva. Além disso, os cenários apresentaram picos distintos de concentração de sal. O cenário 2 apresentou o maior pico (6,89g), seguido dos cenários 4 (4,54g), 5 (3,13g), 3 (2,72g) e 1 (2,38g). 8 7 Transporte de Sal (g) Tempo (s) CENÁRIO 1 CENÁRIO 2 CENÁRIO 3 CENÁRIO 4 CENÁRIO 5 Figura 3 Transporte de sal. Tais resultados evidenciam a importância do controle do escoamento superficial nos primeiros instantes da chuva, pois este carrega consigo a maior parte da carga poluente depositada na superfície da bacia, que neste caso é representada pelo sal aplicado. Os resultados mostram também que cargas difusas localizadas tem ação mais impactante, enquanto cargas dispersas por toda bacia apresentam potencial de amortecimento do transporte da carga mais acentuado. Constatou-se através dos totais para o transporte de sal em cada cenário, apresentados na Tabela 4, a seguir, que parte do sal aplicado ficou retido no solo do canal, uma vez que para cada cenário foi aplicado 22,5g de sal no canal e em todos os cenários o total de sal amostrado foi inferior a 22,5g. Tabela 1 Transporte de sal total para cada cenário. Cenário 1 (g) Cenário 2 (g) Cenário 3 (g) Cenário 4 (g) Cenário 5 (g) 14,40 18,82 10,33 12,98 13,76 Portanto, conclui-se que cargas difusas resultam em grande impacto sobre o solo de bacias permeáveis, uma vez que houve retenção de sal no canal nos cenários estudados. Sendo maior a remoção de sal do canal, pelo 5

6 escoamento superficial, nos cenários em que o sal foi aplicado mais próximo do ápice da chuva (Centro de gravidade do canal). CONCLUSÕES: Demostrou-se com o estudo a importância do controle do escoamento nos primeiros instantes de chuva, pois através dos resultados obtidos observou-se que está concentra a maior parcela da carga poluidora retida no solo. Além disso, observou-se grande retenção da carga poluidora no solo do canal, evidenciando a importância no controle do uso indiscriminado de fertilizantes e pesticidas em áreas permeáveis, ou seja, principalmente áreas agrícolas, não só com enfoque de controle da qualidade das águas superficiais, mas também na qualidade das águas subterrâneas e do solo, uma vez que boa parcela do material depositado sobre a bacia tem esta finalidade. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GASTALDINI, M. C. C.; SILVA, A. R. V. - Estudo da Distribuição de Poluentes em Superfícies Urbanas - Revista Brasileira de Recursos Hídricos Volume 17 n.4 - Out/Dez, , Gebler, L.; Louzada, J. A. S.; Bertol, I.; Ramos, R. R.; Miquelluti, D. J.; & Schrammel, B. M. - Adaptação metodológica no cálculo de cargas contaminantes de fósforo em bacias hidrográficas gaúchas - Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.16, n.7, p , Lei nº de 31 de agosto de Dispõe sobre a Política Nacional do Meio Ambiente, seus fins e mecanismos de formulação e aplicação, e dá outras providencias. Senado Federal. Brasília, DF. V. I, Montenegro, A.A.A.; Abrantes, J.R.C.B.; de Lima, J.L.M.P.; Singh, V.P.; Santos, T.E.M. - Impact of mulching on soil and water dynamics under intermittent simulated rainfall - Catena 109, , NOVOTNY, Vladimir, Water quality: Diffuse pollution and watershed management 2ª Edição New York: J. Wiley, Pinheiro, A & Deschamps, F. C. Transporte de ortofosfato e de nitrato na microbacia do Ribeirão da Fortuna, SC. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.12, n.3, p , PORTO, Mônica F. Sistema de gestão da qualidade das águas: Uma proposta para o caso brasileiro, 2002 Escola politécnica-usp p. PRODANOFF, Jorge Henrique Alves - Avaliação da poluição difusa gerada por enxurradas em meio urbano - Tese de doutorado em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, SMA/Prime Engenharia - Relatório Técnico - Avaliação Shortle, J. S. & Horan, R. D. The economics of nonpoint pollution control Journal of economic surveys, v.15, n3, Blackwell Publishers Ltd, da poluição por fontes difusas afluente a Represa Guarapiranga, ZAMBON, R. C.; BARROS, M. T. L. Notas de aula da disciplina de pós-graduação PHD Modelos de Planejamento e Gerenciamento de Recursos Hídricos Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - EPUSP,