Avaliação de Infiltração em Drenagem Urbana Recorrendo a Métodos Convencionais e não Convencionais

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1 Avaliação de Infiltração em Drenagem Urbana Recorrendo a Métodos Convencionais e não Convencionais Aplicação ao Caneiro de Alcântara, em Lisboa Vera de Almeida Trigueiros Rodrigues Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Júri Presidente: Prof. António Alexandre Trigo Teixeira Orientador: Prof. José Manuel de Saldanha Gonçalves Matos Orientador: Eng.º Pedro Ricardo Neto Póvoa Vogal: Prof.ª Rita Sofia Dias Salgado Brito Vogal: Prof.ª Filipa Maria Santos Ferreira Novembro 2013

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3 Agradecimentos Gostaria de fazer um breve agradecimento a todas as pessoas que tornaram possível a realização desta dissertação, assim como a conclusão do grau de Mestre em Engenharia Civil. Agradeço ao meu orientador, Professor José Saldanha Matos, pela supervisão deste trabalho, pelo conhecimento científico que me foi transmitindo e principalmente pela constante disponibilidade e motivação. Agradeço ainda às pessoas da Secção de Hidráulica e Recursos Hídricos e Ambientais do Instituto Superior Técnico que acompanharam e auxiliaram o meu trabalho ao longo dos últimos meses, nomeadamente à Professora Filipa Ferreira e à Engª. Rita Matos. À empresa SIMTEJO, em especial ao Eng.º Pedro Póvoa, coorientador desta dissertação, e à Engª. Susana Almeida, por tornarem possível a aplicação deste tema a um caso de estudo real, pelo esclarecimento de questões práticas, acesso a dados, entre outras facilidades. Agradeço ainda à Engª. Vanda Barroso e ao colega Nuno Pimentel, pelo interesse e preciosa colaboração ao longo da campanha de amostragem, assim como a todos os outros colegas e funcionários da SIMTEJO que a tornaram possível. Agradeço aos meus amigos e aos meus colegas de curso, que se foram também tornando amigos ao longo deste cinco anos. Agradeço-lhes todo o companheirismo e confiança. Por fim mas não menos importante, agradeço à minha família. Aos meus pais, por terem sempre investido na minha formação pessoal e académica e por me terem incutido a vontade de fazer sempre o meu melhor. À minha irmã Mariana, pela amizade.

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5 Resumo A infiltração de águas subterrâneas em coletores aumenta os custos de manutenção dos sistemas de drenagem urbana e compromete a sua gestão sustentável. Nas últimas duas décadas foram desenvolvidos diversos métodos destinados ao estudo e quantificação deste fenómeno. Na maioria dos países têm-se aplicado métodos convencionais, baseados na análise de caudais ou na diluição de determinados poluentes no caudal total. No entanto, e em particular no contexto europeu, têm sido desenvolvidos e aplicados métodos inovadores para estimar a infiltração, baseados na análise de razões isotópicas ou na construção de modelos de simulação. Na presente dissertação apresenta-se uma abordagem metodológica que, aliando métodos convencionais e não convencionais, permite estimar a infiltração em sistemas de drenagem urbana. São propostos três modelos que possibilitam a análise deste fenómeno para diferentes níveis de acesso a dados e de rigor nos resultados. Os modelos de nível I e nível II foram aplicados ao caso de estudo da Zona Alta da bacia de drenagem de Alcântara, em Lisboa. Apesar de só terem sido analisados períodos de tempo seco, estima-se que o caudal de infiltração no Caneiro de Alcântara é, nessas condições, de cerca de 0.30 m 3 /s, o que corresponde a aproximadamente 35% do caudal médio de águas residuais em tempo seco (excluindo, naturalmente, a infiltração). Palavras-chave: Afluências indevidas, águas residuais, drenagem urbana, infiltração, razão isotópica.

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7 Abstract The success in urban sewer systems management depends on the knowledge about the quality and quantity of effluents that drain into pipes and eventually get to the wastewater treatment facilities. Over the last two decades, several authors studied this phenomenon and some quantification methods were developed. Traditional methods, based on flow rates evaluation or on the analysis of certain pollutants dilution, are the most commonly used. Nevertheless, innovative approaches have been developed and applied, particularly in Europe. These non-traditional methods are based on the analysis of isotopic ratios or on computational models, for example. This dissertation presents an approach to assess infiltration in urban sewer systems, by combining traditional and non-traditional methods. The mentioned approach is based on a three level methodology in which each level requires different input data and, depending on that, provides an outcome with a higher or lower degree of precision. Level I and Level II methods were successfully applied to the northern part of Alcântara s urban basin, in Lisbon. Considering that only dry weather periods were studied, results show that the infiltration in Alcântara s major trunk sewer is likely to be 0.30 m 3 /s, which corresponds to approximately 35% of the dry weather wastewater flow (excluding infiltration). Keywords: Infiltration, I/I (infiltration and inflow), isotopic ratio, urban sewers, wastewater.

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9 Índice 1. Introdução Enquadramento e relevância do tema Objetivos da dissertação Estrutura da dissertação Afluências indevidas em sistemas de drenagem Considerações iniciais Ciclo urbano da água Sistemas de drenagem urbana Componentes do caudal em redes de drenagem Composição típica de águas residuais Estado da arte Considerações iniciais Aspetos regulamentares Métodos analíticos Métodos convencionais Métodos de análise de caudal Métodos químicos Métodos não convencionais: método dos isótopos Modelos de simulação Proposta de abordagem metodológica para estimativa da infiltração Considerações iniciais Modelo de nível I Modelo de nível II Notas iniciais Descrição do modelo Sistema de modelos de nível III Considerações iniciais Modelo de infiltração na rede de drenagem Submodelo hidrológico Submodelo de afluências em tempo seco Submodelo hidráulico do sistema de drenagem Submodelo do aquífero Considerações finais Descrição do caso de estudo do Caneiro de Alcântara Enquadramento geral Clima e relevo i

10 5.3. Geologia Hidrologia e ocupação do solo População servida e capitações Rede de drenagem Avaliação de infiltração no sistema de Alcântara Considerações iniciais Aplicação do modelo de nível I Considerações iniciais Estimativa da infiltração Aplicação do modelo de nível II Considerações iniciais Descrição da campanha de recolha de amostras Locais e número de amostras Procedimentos de recolha de amostras Apresentação e análise de resultados Notas iniciais Análise por ponto de medição Análise por fonte de água Estimativa da infiltração no Caneiro de Alcântara Potencialidade da aplicação do sistema de modelos de nível III Análise de resultados Conclusões e perspetivas de trabalhos futuros Referências Bibliográficas Anexos ii

11 Índice de figuras do texto Figura 2.1: Representação esquemática do ciclo urbano da água [ 5 Figura 2.2: Esquema ilustrativo de um sistema de drenagem unitário Figura 2.3: Identificação gráfica das afluências indevidas. Adaptada de Metcalf & Eddy (2004) Figura 3.1: Aplicação do método do triângulo para a separação das parcelas de água residual, infiltração e escoamento superficial na ETAR de Mirandela (Amorim 2007) Figura 3.2: Separação dos hidrogramas obtidos em duas bacias de drenagem na Suíça, onde foi aplicado o método das séries temporais de cargas poluentes (Kracht e Gujer 2004) Figura 3.3: Comparação entre os resultados do modelo matemático de simulação de CQO com os resultados reais medidos numa campanha pontual (Kracht e Gujer 2004) Figura 3.4: Volumes de infiltração estimados pelos métodos do Quadro 3.2 nas diversas sub-bacias estudadas por De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004a) Figura 3.5: Variações da razão 18 O em águas naturais. Adaptada de Schilperoort (2004) Figura 3.6: Valores de 18 O medidos na bacia de Ecully (Lyon) em 12 e 13 de Março de Adaptada de De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b) Figura 3.7: Composição de um hidrograma diário usando o método dos isótopos. Adaptada de De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b) Figura 3.8: Caracterização isotópica e decomposição do hidrograma diário nas suas componentes básicas: águas residuais e infiltração (Kracht e Gujer 2004) Figura 3.9: Simulação feita para um caso de estudo, onde se mostra que a existência do sistema de drenagem tem uma influência expressiva no nível freático. Adaptada de Gustafsson (2000) Figura 3.10: Representação esquemática da secção transversal considerada por um modelo tridimensional de infiltração (Karpf e Krebs 2012) Figura 3.11: Taxa de infiltração, carga hidráulica e condutividade do meterial de aterro, obtidas através de simulações no progama MODFLOW (Karpf e Krebs 2012) Figura 3.12: Influência da área e da forma dos orifícios da tubagem no processo de infiltração. Adaptada de Karpf e Krebs (2012) Figura 4.1: Quadro-resumo de cada nível da metodologia proposta para a estimativa da infiltração.. 33 Figura 4.2: Mapa com a identificação dos locais de recolha de amostras para medição da análise isotópica, elaborado para a bacia de Yzeron (França). Adaptada de De Bénédittis e Bertrand- Krajewski (2004a) Figura 4.3: Representação esquemática do modelo de simulação (nível III) Figura 4.4: Representação simplificada de um caso em que ocorre infiltração (à esquerda) e outro em que ocorre exfiltração (à direita) iii

12 Figura 4.5: Corte transversal de uma secção da tubagem onde pode ocorrer infiltração Figura 4.6: Infiltração numa junta entre coletores [ 43 Figura 4.7: Corte longitudinal de um troço de tubagem onde pode ocorrer infiltração. As secções S1 e S2 são semelhantes ao representado na imagem anterior Figura 4.8: Representação esquemática do submodelo hidrológico (inputs, base de dados e outputs) Figura 4.9: Representação esquemática do submodelo de afluências em tempo seco (inputs, base de dados e outputs) Figura 4.10: Representação esquemática do submodelo hidráulico do sistema de drenagem (inputs, base de dados e outputs) Figura 4.11: Representação esquemática do submodelo do aquífero (inputs, base de dados e outputs) Figura 4.12: Principais dados e respetivos materiais de recolha necessários à aplicação de cada nível Figura 5.1: Sistema de Alcântara: Zona Alta e Zona Baixa (que inclui as zonas de Algés-Alcântara e Terreiro do Paço-Alcântara). Retirado de Galvão et al. (2006) Figura 5.2: Infografia referente ao sistema de abastecimento de água da EPAL (Jornal Público 2012) Figura 5.3: Modelo digital de terreno da Zona Alta da bacia de Alcântara Figura 5.4: Mapa geológico da Zona Alta da bacia de Alcântara Figura 5.5: Localização de alguns dos pontos de captação com maiores profundidades inventariados em Ribeiro et al. (2010) e que intersectam formações geológicas presentes na bacia em estudo Figura 5.6: Relação entre os valores médios do nível hidrostático e as formações geológicas aflorantes Figura 5.7: Complexos hidrológicos identificados no município de Lisboa Figura 5.8: Uso do solo no Concelho de Lisboa (ENGIDRO e HIDRA 2007a) Figura 5.9: Zonas verdes, edificadas e vias de comunicação existentes na bacia em estudo Figura 5.10: Previsões de população para o concelho de Lisboa, segundo o PGDL (2006): citado por ENGIDRO e HIDRA (2007a) Figura 5.11: Densidades populacionais médias por quarteirão da BGRI, segundo os dados do Censos 2001 (ENGIDRO e HIDRA 2007a) Figura 5.12: Imagem ilustrativa da cobertura exterior da ETAR de Alcântara [ 66 Figura 5.13: Representação esquemática dos ramos principais do Caneiro de Alcântara. Adaptada de ENGIDRO e HIDRA (2007a) iv

13 Figura 5.14: Caneiro da Falagueira Figura 5.15: Caneiro da Damaia Figura 5.16: Secção Tipo Caneiro Figura 5.17: Pormenor do autocarro caído no interior do Caneiro Figura 5.18: Abatimento do Caneiro no Bairro da Liberdade Figura 5.19: Confluência entre o ramo de Campolide Benfica e o Ramal Av. Novas Figura 5.20: Aqueduto da Estação C.P. (Campolide) Figura 5.21: Quedas no interior do Caneiro, junto à Estrada Militar Figura 5.22: Rampa sob a estação de Campolide Figura 5.23: Soleira abatida na zona de Campolide Figura 5.24: Assoreamento do Caneiro na Rua Garridas Figura 5.25: Perfis do projeto do Caneiro de Alcântara (secção tipo Caneiro). Adaptada de ENGIDRO e HIDRA (2007a) Figura 6.1: Localização em planta do ponto de medição ALC200 e da ETAR de Alcântara [GoogleEarth] Figura 6.2: Padrão diário do caudal médio de 15 minutos, na secção ALC Figura 6.3: Distribuição dos caudais mínimos diários, por hora Figura 6.4: Padrões diários mensais do caudal médio de 15 minutos e padrão anual, na secção ALC Figura 6.5: Localização dos pontos de recolha de amostras na bacia Figura 6.6: Recolha de uma amostra para análise de isótopos no ponto AF Figura 6.7: Medição com a sonda paramétrica no ponto AP Figura 6.8: Valores de 18 O medidos no ponto AF2, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho Figura 6.9: Valores de 18 O medidos no ponto AF3, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho Figura 6.10: Valores de 18 O medidos no ponto AP1, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho Figura 6.11: Valores de 18 O medidos no ponto AP2, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho Figura 6.12: Valores de 18 O medidos na secção CANETAR, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho Figura 6.13: Comparação dos valores de 18 O medidos nas duas fontes de água freática nos dias 22, 23 e 24 de Julho de Figura 6.14: Comparação dos valores de 18 O medidos nas duas fontes de água potável nos dias 22, 23 e 24 de Julho de 2013, e respetivo valor médio v

14 Figura 6.15: Valores de 18 O medidos na secção CANETAR, e valores médios de referência para águas residuais e infiltração Figura 6.16: Relação entre o caudal padrão na secção ALC200 e os caudais de infiltração medidos nos dias 22, 23 e 24 de Julho (2013) Figura 6.17: Contribuição das componentes de infiltração e água residual para o caudal total que aflui à secção CANETAR. No eixo horizontal apresenta-se a hora e, entre parentises, o dia de Julho em que foi feita a medição Figura 6.18: Hidrograma que mostra a contribuição das componentes de infiltração e águas residuais para o caudal total que aflui à secção CANETAR Figura 6.19: Caudais de infiltração medidos na secção CANETAR em diversos instantes dos dias 22, 23 e 24 de Julho (2013), valor médio e limites superior e inferior Índice de quadros do texto Quadro 2.1: Principais componentes dos sistemas de drenagem urbanos... 7 Quadro 2.2:Tipos de afluências indevidas, segundo Metcalf & Eddy (2004) Quadro 2.3: Classificação das componentes das afluências indevidas segundo a origem de água Quadro 2.4: Características e parâmetros dos constituintes das águas residuais. Adaptado de Metcalf & Eddy (2004) Quadro 2.5: Fatores que tipicamente influenciam as características água em sistemas de drenagem unitários Quadro 2.6: Alguns parâmetros da composição típica de águas residuais domésticas. Adaptado de Metcalf & Eddy (2004) Quadro 3.1: Valores de infiltração propostos em várias fontes bibliográficas. Adaptado de Cardoso et al. (2004) Quadro 3.2: Alguns métodos convencionais para estimar a infiltração (De Bénédittis e Bertrand-Krajewski 2004a) Quadro 4.1: Classificação e descrição da função de cada submodelo de nível III Quadro 5.1: Média da temperatura média mensal em Lisboa, medida no Geofísico entre 1981 e 2010 (previsto), Instituto Português do Mar e Atmosfera (2013) Quadro 5.2: Levantamento das formações geológicas intersectadas pela área da bacia em estudo. 57 Quadro 5.3: Correspondência entre as formações geológicas aflorantes e a profundidade das várias captações de água subterrânea da área Metropolitana de Lisboa, na década de 40. Adaptado de Ribeiro et al. (2010) vi

15 Quadro 5.4: Classes de produtividade e níveis hidrostáticos das principais formações geológicas aflorantes na bacia em estudo. Adaptado de Ribeiro et al. (2010) Quadro 5.5: Coeficientes do método racional (Galvão et al. 2006) Quadro 5.6: Populações totais segundo o PGDL (2006) e respetivas taxas geométricas de evolução. Adaptado de ENGIDRO e HIDRA (2007a) Quadro 5.7: Previsões de crescimento da população na Zona Alta da bacia de Alcântara Quadro 6.1: Divisão do número de dias de tempo húmido, seco-transição e seco na bacia em estudo, para o período em análise Quadro 6.2: Valores mínimo, máximo e médio do caudal total de tempo seco adotados para a bacia de Alcântara Quadro 6.3: Caudal médio de águas residuais, fator de infiltração e fator de ponta máximo para a situação hipotética de o caudal infiltrado ser igual ao caudal mínimo Quadro 6.4: Resultados da aplicação do nível I ao caso de estudo do Caneiro de Alcântara Quadro 6.5: Identificação dos locais de medição da campanha de 22 a 24 de Julho (2013) Quadro 6.6: Relação entre os pontos de medição e a nomenclatura usada na aplicação ao método dos isótopos Quadro 6.7: Parâmetros utilizados na aplicação do nível II à secção CANETAR e resultados obtidos para cada instante de recolha de amostras na referida secção Quadro 6.8: Valores médios do caudal total, caudal de infiltração e caudal de águas residuais e frações de infiltração obtidos pela metodologia de nível II, na secção CANETAR vii

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17 Índice de anexos Anexo I: Análise de caudais de tempo seco na secção ALC200 I.1 Anexo II: Definição do padrão de caudais de tempo seco na secção ALC200 Anexo III. Estimativa da população servida pelo sistema da Zona Alta da bacia de Alcântara. Anexo IV: Planeamento da campanha de recolha de amostras para análise isotópica: 22 a 24 de Julho de Anexo V: Resultados da campanha de recolha de amostras para análise isotópica: 22 a 24 de Julho de II.1 III.1 HH IV.1 HH V.1 Índice de figuras em anexo Figura A I-1: Hidrograma de Julho, I.3 Figura A I-2: Hidrograma de Agosto, I.3 Figura A I-3: Hidrograma de Setembro, I.3 Figura A I-4: Hidrograma de Outubro, I.3 Figura A I-5: Hidrograma de Novembro, I.4 Figura A I-6: Hidrograma de Dezembro, I.4 Figura A I-7: Hidrograma de Janeiro, I.4 Figura A I-8: Hidrograma de Fevereiro, I.4 Figura A I-9: Hidrograma de Março, I.4 Figura A I-10: Padrão diário de tempo seco em cada mês (Abordagem I).... I.5 Figura A I-11:Padrão diário de tempo seco (Abordagem I).... I.6 Figura A I-12: Padrão diario de tempo seco em cada mês (Abordagem II).... I.6 Figura A I-13:Padrão diário de tempo seco (Abordagem II).... I.7 Figura A I-14: Padrão diário de tempo seco em cada mês (Abordagem III).... I.8 Figura A I-15:Padrão diário de tempo seco (Abordagem III).... I.9 Figura A I-16:Comparação das três abordagens usadas.... I.9 Figura A I-17:Comparação das três abordagens usadas, considerando o caudal horário como a média dos valores medidos na hora anterior.... I.10 Figura A III-1: Software ArcMap Representação da BGRI 1106 e BGRI 1115 (relativas aos concelhos de Lisboa e Amadora, respetivamente).... III.2 ix

18 Figura A III-2: Software ArcMap Obtenção da área das freguesias da Amadora intersectadas pela bacia.... III.2 Figura A IV-1: Localização dos pontos de recolha de amostras na bacia, em planta.... IV.3 Figura A V-1: Recolha no local AP1... V.1 Figura A V-2: Medição de parâmetros no local AP1... V.1 Figura A V-3: Caixa de visita no local AF1... V.1 Figura A V-4: Medição de parâmetros no local AF1... V.1 Figura A V-5: Medição de parâmetros no local AF2... V.1 Figura A V-6: Medição de parâmetros no local AF2... V.1 Figura A V-7: Local AF3... V.1 Figura A V-8: Recolha de amostras no local AF3... V.1 Figura A V-9: Recolha de água no local AF1... V.2 Figura A V-10: Recolha de água no local AF1... V.2 Figura A V-11: Recolha de água no local AP1... V.2 Figura A V-12: Recolha de amostra no local AP1... V.2 Figura AV-13: Local AF2 (Jardim da Mina)... V.2 Figura AV-14: Recolha de amostra no local AF2... V.2 Figura AV-15: Recolha de água no local AF1... V.2 Figura AV-16: Medição de parâmetros no local AF1... V.2 Figura AV-17: Resultados, em bruto, dos valores de 18 O medidos em cada local.... V.6 Figura AV-18: Resultados, em bruto, dos valores de 18 O medidos no local CANETAR.... V.6 Figura AV-19: Comparação dos valores de medidos nas duas fontes de água freática nos dias 22, 23 e 24 de Julho de 2013, e respetivo valor médio.... V.7 Figura AV-20: Valores brutos de 18 O medidos no Caneiro de Alcântara, e médias diárias das águas potáveis e águas freáticas, em cada dia.... V.7 Figura AV-21: Valores de 18 O registados no dia 22 de Julho de 2013 (excluindo o outlier).... V.8 Figura AV-22: Valores de 18 O registados no dia 23 de Julho de V.8 Figura AV-23: Valores de 18 O registados no dia 24 de Julho de V.8 Índice de quadros em anexo Quadro A I-1: Análise mensal da precipitação.... I.2 x

19 Quadro A I-2: Número de dias de tempo húmido, seco de transição e seco, para T trans = 2 dias.... I.2 Quadro A I-3: Valores característicos de caudal de tempo seco em cada mês (Abordagem I).... I.5 Quadro A I-4: Caudal de tempo seco máximo, mínimo e médio (Abordagem I).... I.6 Quadro A I-5: Valores característicos de caudal de tempo seco em cada mês (Abordagem II).... I.7 Quadro A I-6: Caudal de tempo seco máximo, mínimo e médio (Abordagem II).... I.7 Quadro A I-7: Número de dias de tempo seco, seco-transição e húmido considerando T transição = 1 dia.... I.8 Quadro A I-8: Valores característicos de caudal de tempo seco em cada mês (Abordagem III).... I.8 Quadro A I-9: Caudal de tempo seco máximo, mínimo e médio (Abordagem III).... I.8 Quadro A I-10: Caudais máximos, mínimos e médios em cada mês, obtidos pelas diferentes abordagens.... I.9 Quadro A II-1: Valores médios, mínimos e máximos do caudal registado na secção ALC200 do Caneiro de Alcântara, entre Julho de 2012 e Junho de II.1 Quadro A II-2: Caudal de tempo seco mínimo, máximo e médio registado ao longo dos 208 dias analisados.... II.2 Quadro A II-3: Caudal de tempo seco mínimo, máximo e médio registado em de cada mês.... II.2 Quadro A II-4: Frequência dos caudais mínimos e máximos registados a cada 15 minutos.... II.2 Quadro A III-1: Estimativa da população servida pelo sistema de Alcântara (norte), por concelho e freguesia.... III.1 Quadro A IV-1: Características, localização e fotografia de três locais visitados no dia 1 de Março de IV.2 Quadro A IV-2: Identificação dos locais de medição da campanha de 22 a 24 de Julho (2013).... IV.3 Quadro A IV-3: Lista de materiais e entidades responsáveis pelo seu fornecimento.... IV.4 Quadro A IV-4: Procedimentos a adotar na recolha de amostras, em cada local.... IV.4 Quadro A IV-5: Constituição das equipas 1 e IV.5 Quadro A IV-6: Número de amostras que se prevê recolher em cada local.... IV.6 Quadro A IV-7: horário de recolha de amostras, por dia e por equipa.... IV.8 Quadro A V-1: Resultados das medições com a sonda, CQO e em cada local e para cada instante de recolha.... V.3 Quadro A V-2: Razões isotópicas de cada amostra, por ordem cronológica (valores originais fornecidos pelo SIIAF).... V.5 Quadro A V-3: Valor médio da água potável e freática: em cada dia e nos três dias (média global). V.7 Quadro A V-4: Caudal infiltrado, caudal de águas residuais e caudal total (segundo o padrão).... V.9 xi

20 Quadro A V-5: Valores usados para construir o hidrograma que mostra a contribuição das componentes de infiltração e águas residuais para o caudal total que aflui à secção CANETAR (Figura 6.18).... V.9 Quadro A V-6: Fração de infiltração considerando a média global e a média diária dos valores de 18 O de água potável e freática.... V.9 Quadro A V-7: Valores de referentes a cada origem de água, fração de infiltração e respetivo erro.... V.10 Quadro A V-8: Comparação dos resultados obtidos usando como base o caudal médio padrão de tempo seco (à esquerda) ou usando valores médios obtidos na campanha (à direita).... V.10 xii

21 Lista de acrónimos Sigla APUSS ADIST BGRI CML CBO CQO CP CVL DHI EPA ETA ETAR EUA FCUL IST EN PGDL PVC PEAD SIMTEJO SST SIIAF SMOW Significado Assessing Infiltration and Exfiltration on the Performance of Urban Sewer Systems (Projeto europeu) Associação para o Desenvolvimento do Instituto Superior Técnico Base Geográfica de Referenciação da Informação Câmara Municipal de Lisboa Carência Bioquímica em Oxigénio Carência Química em Oxigénio Comboios de Portugal Complexo Vulcânico de Lisboa Danish Hydraulic Institute (Dinamarca) Environmental Protection Agency (Estados Unidos da América) Estação de Tratamento de Água Estação de Tratamento de Águas Residuais Estados Unidos da América Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa Instituto Superior Técnico Norma Europeia Plano Geral de Drenagem de Lisboa Policloreto de Vinilo (Polyvinyl Chloride) Polietileno de Alta Densidade Saneamento Integrado de Municípios do Tejo e Trancão Sólidos Suspensos Totais Stable Isotopes and Instrumental Analysis Facility Standard Mean Oceanic Water xiii

22 Lista de símbolos Símbolo Significado Dimensões Área da secção molhada pela água subterrânea [L 2 ] Área de infiltração [L 2 ] Capitação (por habitante) [L 3 T -1 ] Caudal de águas residuais (domésticas e industriais) [L 3 T -1 ] Caudal de águas residuais industriais [L 3 T -1 ] Caudal de infiltração [L 3 T -1 ] Caudal médio de águas residuais [L 3 T -1 ] Caudal teórico de águas residuais (domésticas e industriais) [L 3 T -1 ] Caudal total de tempo seco [L 3 T -1 ] Caudal total médio registado em tempo seco [L 3 T -1 ] Caudal total mínimo registado em tempo seco [L 3 T -1 ] Coeficiente de infiltração (ou exfiltração) [T -1 ] Coeficiente de infiltração de Karpf et al. (2007) [LT -1 ] Comprimento do trecho do coletor [L] Concentração de um poluente na componente de águas residuais [ML -3 ] Concentração de um poluente na componente de infiltração [ML -3 ] Concentração total de um poluente [ML -3 ] Constante de recessão do caudal de infiltração [T -1 ] Desvio máximo entre as medições e o caudal total médio de tempo seco Diâmetro da tubagem Diferença de pressão hidrostática Diferença entre a altura piezométrica da água subterrânea e a altura de água no interior do coletor [L 3 T -1 ] [L] [L] [L] Distância média entre e o nível freático [L] Erro relativo associado à fração de infiltração no caudal total [-] Erro relativo associado à medição da razão isotópica em laboratório [-] Erro relativo associado ao caudal de infiltração [L 3 T -1 ] xiv

23 Símbolo Significado Dimensões Escoamento superficial originado pela precipitação [LT -1 ] Evapotranspiração total na bacia [LT -1 ] Fator de ponta (máximo) [-] Fator de ponta mínimo [-] Fração de infiltração no caudal de águas residuais [-] Fração de infiltração no caudal total [-] Infiltração originada pela precipitação [LT -1 ] Isótopo de oxigénio de número de massa [-] Magnitude inicial do caudal que não é constante no tempo [L 3 T -1 ] Parcela do caudal de infiltração constante no tempo [L 3 T -1 ] Perímetro molhado [L] População [-] Precipitação [LT -1 ] Razão isotópica [-] Razão isotópica relativa à água de infiltração [-] Razão isotópica relativa à água total que circula no Caneiro [-] Razão isotópica relativa a águas residuais [-] Taxa geométrica de evolução da população [-] Tempo [T] xv

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25 1. Introdução 1.1. Enquadramento e relevância do tema A infiltração de águas subterrâneas em coletores urbanos constitui, em regra, uma preocupação significativa das entidades gestoras de sistemas de drenagem. Para além de contribuir consideravelmente para o aumento do custo de operação dos sistemas de drenagem e das Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), a infiltração compromete a gestão urbana sustentável da água a longo prazo. A gestão eficaz dos sistemas de drenagem depende do controlo e monitorização dos caudais descarregados na rede e do conhecimento das suas origens e pontos de entrada, pelo que é posta em risco pela ocorrência de infiltrações. No Reino Unido, por exemplo, estima-se que os custos associados à infiltração sejam da ordem de 1 M/m 3 /dia (Ellis 2001). Segundo Sousa (2001), os caudais de infiltração dependem de fatores como a extensão da rede de drenagem (principalmente nos troços em que os coletores estejam abaixo do nível freático), as características hidrogeológicas do terreno e o tipo e estado de conservação do material dos coletores, das juntas e das câmaras de visita. Os problemas causados pela infiltração advêm principalmente do aumento do caudal total que circula na rede de drenagem, provocado por este fenómeno. Em algumas cidades, o caudal de infiltração pode atingir cerca de 100% do caudal de águas residuais domésticas (Cardoso et al. 2006). A infiltração provoca a sobrecarga hidráulica dos sistemas e, em tempo de chuva, pode fazer com que seja ultrapassada a capacidade máxima das ETAR. Em sistemas unitários, o aumento do caudal pode contribuir para o extravasamento do sistema, para a ocorrência de cheias nas zonas urbanas e consequente deterioração de infraestruturas urbanas. No caso de ser ultrapassada a capacidade da ETAR, acresce o risco de descarga de efluentes não tratados em cursos de água naturais. O aumento do volume de água nos coletores leva também à diminuição da temperatura e à diluição dos poluentes, num fator que pode variar entre 1:1 e 1:3 (Ellis 2001). Assim, a eficiência dos tratamentos biológicos nas ETAR fica comprometida, o que pode afetar a qualidade da água tratada e do meio natural em que ela é descarregada. O fenómeno de infiltração pode acelerar o envelhecimento dos coletores e pôr em risco a sua estabilidade. No primeiro caso, devido à pressão que a água exerce nas fissuras das paredes (que pode contribuir para o seu alargamento progressivo) e no segundo caso, porque o material de aterro que envolve as fissuras pode ser destabilizado e arrastado pelo fluxo de água na vizinhança. Deste modo, a qualidade estrutural dos sistemas de drenagem é um parâmetro chave para controlar a infiltração e garantir a transferência das águas domésticas para as ETAR, sem que ocorram trocas com o meio exterior. Refira-se que a Norma Europeia (EN) (CEN 1996; citado por Cardoso et al. 2006), que indica os critérios básicos de desempenho dos sistemas públicos de drenagem de águas residuais, refere que a integridade estrutural do sistema de drenagem urbana, incluindo a estanquidade, deve ser garantida. 1

26 Resumindo, o investimento no estudo e quantificação da infiltração em sistemas de drenagem urbana tem muito interesse para as entidades gestoras, não só porque permite minimizar os diversos impactes referidos, mas também porque pode funcionar como um indicador do estado estrutural e da eficiência ambiental dos sistemas. Importa salientar que nem todos os aspetos relacionados com a infiltração são negativos. Em tempo seco, a infiltração contribui para o aumento da autolimpeza, prevenindo a acumulação de sólidos e sedimentos, diminui o risco de processos anaeróbios, o odor e a corrosão das tubagens. O problema da quantificação da infiltração numa rede de drenagem coloca-se em duas fases concretas: na fase de projeto, quando se calculam os caudais de dimensionamento, e durante a fase de exploração, quando se pretende avaliar o desempenho técnico e económico do sistema. Em projetos de reabilitação, a quantificação da infiltração também é importante uma vez que permite avaliar o desempenho antes e depois das intervenções. Na fase de projeto, a capacidade da rede deve ser calculada tendo em conta as afluências indevidas que entram no sistema de drenagem. O caudal total de dimensionamento deve incluir não só a estimativa do caudal de águas residuais (domésticas, industriais e comerciais) mas também as infiltrações que podem ocorrer nos coletores. A escolha dos materiais e o processo construtivo também influenciam a taxa de infiltração. Na fase de conceção e construção, deve ser feito um balanço entre os custos de controlo de infiltração e os benefícios daí obtidos. Para cada sistema existe um ponto crítico, a partir do qual o custo de futuras intervenções e reparações para diminuir a infiltração não compensa o que foi poupado durante a fase de projeto. Apesar do rigor e investimento na conceção e construção dos sistemas contribuir para a redução das afluências indevidas, não é suficiente fazer apenas uma análise a priori. Os caudais de infiltração estimados na fase de projeto são frequentemente subestimados, principalmente devido à imprevisibilidade do fenómeno e à dificuldade em considerar fatores que dependem da qualidade da construção privada de ligações à rede (como os defeitos em ramais de ligação ou drenos ilegais, por exemplo). Torna-se assim importante controlar a infiltração durante a fase de exploração, aplicando para isso métodos mais ou menos rigorosos, como os que se apresentam nesta dissertação Objetivos da dissertação O objetivo desta dissertação é sistematizar as metodologias existentes para avaliação da infiltração em sistemas de drenagem urbana e desenvolver uma apreciação crítica sobre a sua aplicabilidade. Pretende-se, ainda, propor uma nova abordagem metodológica que permita estimar a infiltração através de procedimentos diferentes, consoante o nível de acesso a dados e o rigor pretendido nos resultados. Este trabalho inclui a análise do caso de estudo da Zona Alta da bacia de Alcântara, à qual será aplicada a abordagem metodológica proposta. A presente dissertação tem também como objetivo promover o interesse na investigação da infiltração em sistemas de drenagem em Portugal, uma vez que não existem ainda muitos estudos relevantes nesta área. 2

27 1.3. Estrutura da dissertação A presente dissertação é constituída por sete capítulos, cujo conteúdo se apresenta resumidamente nos próximos parágrafos. No Capítulo 1 é apresentado o enquadramento e relevância do tema da dissertação, referindo-se os objetivos principais e a estrutura do trabalho. No Capítulo 2 contextualiza-se a infiltração no ciclo urbano da água e faz-se um pequeno resumo dos tipos e características dos sistemas de drenagem urbana. Referem-se algumas definições importantes para a compreensão do resto da dissertação, nomeadamente a distinção entre afluências indevidas, infiltração e afluências de escoamento direto. Descrevem-se ainda as diferentes componentes do caudal total de águas residuais e alguns dos parâmetros de qualidade de água. No Capítulo 3 apresenta-se o estado da arte, nomeadamente o tipo de métodos que existem para a estimativa de infiltração e os princípios e hipóteses a eles associados. Distinguem-se métodos analíticos (baseados em noções matemáticas, químicas e físicas) de métodos de simulação, e referem-se ainda os valores regulamentares usados em alguns países. Os métodos analíticos separam-se em convencionais e não convencionais, tal como sugerido no título desta dissertação. Dá-se maior destaque ao método dos isótopos, que constitui uma das maiores bases de raciocínio para os capítulos seguintes. Referem-se ainda exemplos da aplicação de métodos em alguns casos de estudo reais. No Capítulo 4 propõe-se uma nova abordagem metodológica para a estimativa da infiltração, em que o método de estimativa de infiltração depende dos dados disponíveis e do nível de rigor pretendido. Apresentam-se três níveis de complexidade crescente, nomeadamente modelos de nível I, II e III. O primeiro, descrito no subcapítulo 4.2., baseia-se na análise de caudais e exige apenas o acesso a séries de caudal na secção da rede de drenagem que se pretende estudar. O nível II, descrito em 4.3., consiste na aplicação do método dos isótopos e requer, para além da análise de caudal, a recolha de amostras e análise laboratorial da razão isotópica. Por fim, no subcapítulo 4.4. apresenta-se o sistema de modelos de maior complexidade. Resumidamente, o nível III corresponde a desenvolver um modelo de simulação que, conjugando as características do sistema de drenagem com as características hidrológicas da bacia, permita conhecer a infiltração em qualquer ponto e em qualquer instante. No Capítulo 5 apresenta-se o caso de estudo da Zona Alta da bacia de Alcântara. Descrevem-se as suas características físicas e naturais, nomeadamente o clima e relevo (5.2) a geologia (5.3), a hidrogeologia e ocupação do solo (5.4). No subcapítulo 5.5. referem-se os valores de população servida e dos caudais de distribuição e, por fim, apresentam-se as características do sistema de drenagem no subcapítulo 5.6, com especial ênfase para o Caneiro de Alcântara, onde se pretende estimar a infiltração. No Capítulo 6 aplicam-se os modelos de nível I e II da metodologia proposta no Capítulo 4 ao caso de estudo apresentado no Capítulo 5. Em 6.2. obtém-se uma estimativa da infiltração para a Zona Alta 3

28 da bacia de Alcântara recorrendo apenas à análise de caudal. Em 6.3. começa-se por descrever a campanha de recolha de amostras que permitiu seguir o nível II, e depois descrevem-se e analisam-se cuidadosamente os resultados obtidos. No final deste subcapítulo apresenta-se a estimativa da infiltração para a Zona Alta da bacia de Alcântara, baseada na aplicação do método dos isótopos. Por fim, no Capítulo 7, sintetizam-se as conclusões do estudo e apresentam-se sugestões para o prosseguimento da investigação. 4

29 2. Afluências indevidas em sistemas de drenagem 2.1. Considerações iniciais O tema da infiltração em redes de drenagem urbana é complexo e exige o conhecimento prévio de vários conceitos. Neste capítulo apresentam-se alguns desses conceitos e define-se o fenómeno de infiltração. Começa-se por descrever o ciclo urbano da água, de seguida apresentam-se os diversos tipos de sistemas de drenagem urbana e depois distinguem-se as componentes que constituem o caudal total que circula nos sistemas, entre as quais se destaca a infiltração. Por fim, apresenta-se ainda a composição típica de águas residuais domésticas Ciclo urbano da água O ciclo urbano da água corresponde a todas as etapas de utilização humana da água, desde o momento em que ela é retirada à natureza, até ao momento em que é novamente devolvida (Figura 2.1). A primeira fase do ciclo urbano é a captação da água superficial armazenada em albufeiras, ou a extração de água subterrânea do solo, dependendo das situações. De seguida, a água segue para uma Estação de Tratamento de Água (ETA) onde é submetida a processos de arejamento, floculação, decantação, filtração e desinfeção. A água tratada é então transportada através de grandes adutoras até um reservatório, onde fica armazenada até ser novamente transportada, através da rede de distribuição, até ao ponto de consumo. Depois de utilizada (em ambiente doméstico ou industrial), a água é descarregada no sistema de drenagem urbano, passando a ser classificada como água residual. É recolhida através de coletores e canalizada para uma Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), onde é novamente tratada. De um modo geral, as etapas do processo de tratamento são o tratamento preliminar (gradagem e desarenação/ desengorduramento), decantação primária, tratamento biológico, decantação secundária e desinfeção. O ciclo urbano termina com a restituição da água à natureza, geralmente feita através da descarga dos efluentes da ETAR num curso de água superficial. Figura 2.1: Representação esquemática do ciclo urbano da água [ 5

30 2.3. Sistemas de drenagem urbana Os sistemas de drenagem têm classificações diferentes, conforme a natureza da qualidade das águas residuais que transportam (pluvial, residual doméstica/industrial ou mista). De acordo com o ponto 1 do artigo 116.º do Decreto Regulamentar 23/95 de 23 de Agosto de 1995, os sistemas de drenagem pública de águas residuais podem ser separativos, unitários, mistos ou separativos parciais (ou pseudo-separativos). Os sistemas separativos são constituídos por duas redes distintas, uma destinada às águas residuais domésticas e industriais e outra à drenagem das águas pluviais ou similares. O destino dos coletores de cada tipo de rede é distinto. As águas residuais domésticas são conduzidas para uma ETAR, onde após tratamento adequado são descarregadas no meio recetor. Por outro lado, as águas pluviais são descarregadas no meio recetor, sendo frequente que não sejam sujeitas a qualquer tratamento. Os critérios de dimensionamento adotados em cada rede também são diferentes. Enquanto os sistemas separativos domésticos são dimensionados para transportar o caudal de ponta doméstico, os sistemas separativos pluviais são dimensionados para um dado período de retorno. Atualmente, os sistemas separativos são os mais recomendados para as redes de drenagem urbana. Contrariamente aos sistemas separativos, os sistemas unitários são constituídos por uma única rede de coletores, à qual afluem simultaneamente águas residuais domésticas, industriais e pluviais, como mostra a Figura 2.2. Figura 2.2: Esquema ilustrativo de um sistema de drenagem unitário. O caudal transportado em coletores unitários sofre grandes variações em função da ocorrência de precipitações, o que torna complexo o dimensionamento hidráulico das estações de tratamento. As ETAR que servem os sistemas unitários são geralmente dimensionadas para receber caudais da ordem de 3 a 6 vezes o caudal médio diário em tempo seco. Os emissários devem ser construídos com materiais resistentes à corrosão e têm geralmente diâmetros significativos, superiores aos das redes separativas. Apesar de serem aparentemente os mais económicos, os sistemas unitários estão associados a baixas eficiências e a diversos problemas de funcionamento das redes. Quando chove, é frequente ser ultrapassada a capacidade da ETAR e os afluentes serem descarregados diretamente 6

31 no meio aquático. Por outro lado, em tempo seco, é difícil manter condições hidráulicas de escoamento devido à sedimentação de sólidos em suspensão e aos riscos de formação de gás sulfídrico, por exemplo. Os sistemas mistos são uma conjugação dos dois tipos de sistemas anteriores: parte da rede coletora funciona como sistema unitário, e a restante como sistema separativo. Por fim, os sistemas separativos parciais ou pseudo-separativos são aqueles em que se admite, em condições excecionais, a ligação de águas pluviais de pátios interiores ao coletor de águas residuais domésticas. Em Portugal, à semelhança de outros países, apesar dos sistemas serem tendencialmente concebidos como separativos, acabam por tender a funcionar como pseudo-separativos. Grande parte dos sistemas de drenagem urbana em Portugal e na Europa comportam-se como sistemas unitários, mistos ou pseudo-separativos, tendo a particularidade de transportar conjuntamente águas residuais domésticas e águas pluviais. Os sistemas de águas residuais, sejam separativos ou unitários, dispõem de um conjunto de componentes principais que se podem dividir em três grandes grupos: rede coletora, instalações e condutas elevatórias e órgãos acessórios. Como não se pretende fazer uma análise detalhada dos constituintes dos sistemas de drenagem, apresentam-se apenas os mais relevantes no Quadro 2.1. Quadro 2.1: Principais componentes dos sistemas de drenagem urbanos Componentes dos sistemas de drenagem Redes interiores de edifícios Rede geral de drenagem: coletores, câmaras de visita, sarjetas de passeio (redes unitárias) e/ou sumidouros (redes separativas de águas pluviais) Ramais de ligação à rede geral de drenagem Estações elevatórias e condutas de impulsão Emissários e intercetores Estações de tratamento Exutores de lançamento e destino final (emissários submarinos) Descarregadores de tempestade Sifões invertidos Lagoas de amortecimento e retenção 2.4. Componentes do caudal em redes de drenagem As diversas componentes do caudal que circula na rede de drenagem dependem do tipo de sistema usado e a sua percentagem varia com as condições locais e com a altura do ano (Metcalf & Eddy 2004). Simplificadamente, podem assumir-se as quatro componentes apresentadas de seguida, sendo que a última é a que tem maior interesse para este trabalho. 7

32 1) Águas residuais domésticas, provenientes das descarregadas nas habitações, zonas comerciais ou edifícios públicos. 2) Águas residuais industriais, onde predominam efluentes industriais. 3) Águas pluviais resultantes do escoamento superficial originado pela precipitação. 4) Afluências indevidas, relativas à água que entra indevidamente no sistema de forma direta ou indireta, como se explica em seguida. Apesar de existirem várias publicações sobre o tema, não há uma definição clara para o conceito de afluências indevidas (apresentado no ponto 4 da lista anterior). De uma forma simples, pode admitir-se que estas correspondem a águas parasíticas que circulam no sistema de drenagem, apesar de não lhe pertencerem (Schilperoort 2004). Em Metcalf & Eddy (2004), as afluências indevidas aparecem como a combinação das cinco componentes descritas no Quadro 2.2 e representadas na Figura 2.3. Quadro 2.2:Tipos de afluências indevidas, segundo Metcalf & Eddy (2004). Tipo de afluência indevida Infiltração de percurso (ou simplesmente infiltração) Infiltração base Afluências pluviais diretas Afluências pluviais totais Afluências pluviais retardadas Definição Água subterrânea que entra nas infraestruturas enterradas do sistema de drenagem através de deficiências estruturais nos coletores (em juntas, ligações) ou através das paredes das câmaras de visita. Água subterrânea que entra deliberadamente no sistema de drenagem, proveniente de drenos, da bombagem de caves, de sistemas de arrefecimento ou de descargas de pequenos cursos de água naturais canalizados, e que é independente do estado de conservação do coletor. Água pluvial que entra indevidamente no sistema, com origem no escoamento de telhados ou em ligações indevidas de ramais pluviais de edificações e de sumidouros. Soma das afluências anteriores com outras possíveis descargas feitas a montante (por descarregadores de tempestade, por exemplo). Água pluvial que leva diversos dias a percorrer ou a entrar no sistema de drenagem (devido a reservas e empoçamentos na bacia natural, por exemplo). No Quadro 2.2, as duas primeiras componentes têm origem em águas subterrâneas e as três restantes provêm de águas pluviais. Como nesta dissertação se pretende estudar todo o fenómeno de infiltração e quantificar o volume de água subterrânea que entra nos sistemas, independentemente do ponto de entrada, torna-se desnecessário adotar uma classificação tão detalhada. Alternativamente, as afluências indevidas serão divididas em apenas dois conceitos: infiltração 8

33 (entrada de águas subterrâneas) e afluências de escoamento direto (entrada de águas pluviais), como se apresenta no Quadro 2.3. Quadro 2.3: Classificação das componentes das afluências indevidas segundo a origem de água. Classificação proposta em Metcalf & Eddy (2004) Infiltração de percurso infiltração base Afluências pluviais diretas Afluências pluviais totais Afluências pluviais retardadas Origem da água Subterrânea Pluvial Classificação proposta na presente dissertação Infiltração Afluências de escoamento direto A maioria dos autores considera que a infiltração é constante ao longo do dia, podendo apenas sofrer variações sazonais. Como mostra a Figura 2.3, para uma janela temporal pequena (da ordem dos dias), a infiltração é a única componente do caudal total que se mantém constante, mesmo após a ocorrência de precipitação (Metcalf & Eddy 2004). Por isso é importante fazer a análise da infiltração em tempo seco, quando as afluências de escoamento direto são mínimas e se pode assumir que o caudal total tem apenas duas componentes, águas residuais (domésticas e industriais) e infiltração. Esta situação é retratada na Figura 2.3, no primeiro dia e meio antes da precipitação. Figura 2.3: Identificação gráfica das afluências indevidas. Adaptada de Metcalf & Eddy (2004). No conceito de afluências indevidas podem ainda ser incluídas as descargas não licenciadas, que também levam à entrada indevida de efluentes no sistema de drenagem. Por serem situações pontuais, muitas vezes desconhecidas (ou com origens desconhecidas) e impossíveis de prever, não se distingue esta parcela na análise da infiltração. 9

34 Antes de terminar este subcapítulo, importa fazer uma referência à nomenclatura usada nesta dissertação. O termo afluências indevidas corresponde à expressão comumente usada na bibliografia anglo-saxónica, I/I (infiltration e inflow). Em português, e como sugerido neste trabalho, usam-se os termos infiltração e afluências de escoamento direto Composição típica de águas residuais A água residual é composta por uma mistura de substâncias em solução, em suspensão e flutuantes, e pode ser caracterizada em termos da sua composição física, química ou biológica. As principais propriedades físicas, os constituintes químicos e biológicos e as suas fontes encontram-se descritas no Quadro 2.4. Quadro 2.4: Características e parâmetros dos constituintes das águas residuais. Adaptado de Metcalf & Eddy (2004). Características Parâmetros Físicas Sólidos totais (ST), sólidos voláteis totais (SVT), sólidos suspensos totais (SST), sólidos totais dissolvidos (STD), e outros sólidos. Distribuição do tamanho das partículas, cor, turvação, odor, temperatura, densidade, condutividade, transmitância. Químicas inorgânicas Amónia ( ), nitratos ( ), nitrogénio total, fósforo total, fósforo orgânico, sulfato ( ), cloretos ( ), alcalinidade, ph, metais e gases. Químicas orgânicas Carência Bioquímica em Oxigénio (CBO), Carência Química em Oxigénio (CQO), Carbono Orgânico Total (COT), compostos orgânicos específicos, entre outros. Biológicas Organismos coliformes, microrganismos específicos e toxicidade. Muitas das características apresentadas no Quadro 2.4 estão inter-relacionadas: por exemplo, a temperatura afeta simultaneamente a quantidade de gases dissolvidos e a atividade biológica das águas residuais (Metcalf & Eddy 2004). Em meio urbano, estas características são também extremamente variáveis e dependem do tipo de rede de drenagem (unitária e/ou separativa), do aglomerado populacional (condições socioeconómicas, nível de saúde, etc.), da natureza da água de abastecimento público, entre outros fatores. Há oscilações permanentes de concentrações dos poluentes e da percentagem de substâncias dissolvidas e, consequentemente, as características variam muito de secção para secção e, na mesma secção, de instante para instante (Vieira 2005). Na prática, qualquer substância pode ser descarregada nas redes de drenagem, o que inviabiliza uma análise química exaustiva da qualidade da água. No Quadro 2.5 apresentam-se alguns dos fatores que influenciam as características da água que circula em sistemas de drenagem unitários. 10

35 Quadro 2.5: Fatores que tipicamente influenciam as características água em sistemas de drenagem unitários. Parâmetro Precipitação Fonte das águas residuais Características da bacia de drenagem Tipo de sistema e características de traçado e conservação Quantitativos Altura e volume Intensidade Duração Fatores Capitação e variação do consumo Tipo de origem: residencial, comercial, etc. Área, tempo de concentração Uso do solo e áreas impermeáveis Características do solo Controlo de cheias Diâmetro, inclinação e forma das tubagens Quantidade de infiltração Assoreamento Práticas de regulação de caudal Qualitativos Condições atmosféricas regionais Tipo de origem Práticas de gestão da bacia natural Acumulação e remoção de poluentes Transformações químicas e biológicas Qualidade/ origem da infiltração No Quadro 2.6 apresentam-se valores típicos das concentrações de alguns contaminantes das águas residuais domésticas não tratadas, para diferentes padrões de consumo e descarga. Quadro 2.6: Alguns parâmetros da composição típica de águas residuais domésticas. Adaptado de Metcalf & Eddy (2004). Concentração Contaminantes Unidade Águas residuais não carregadas 1 Águas residuais carregadas 2 Sólidos totais (ST) mg/l Sólidos dissolvidos totais (SDT) mg/l Sólidos suspensos totais (SST) mg/l CBO mg/l CQO mg/l Nitrogénio total mg/l Amónia mg/l Cloretos mg/l Sulfatos mg/l Óleos e gordura mg/l Coliformes totais Nº/ 100 ml Coliformes fecais Nº/ 100 ml Baseada num fluxo de águas residuais de cerca de 460 l/hab.dia 2 Baseada num fluxo de águas residuais de cerca de 260 l/hab.dia 11

36 Salienta-se que as concentrações apresentadas no referido quadro são meramente indicativas. Em Portugal, e em média, os dados relativos a águas residuais são superiores. Tipicamente são aceites como normais, ou até, relativamente a alguns dos parâmetros, ligeiramente abaixo do normal, os valores indicativos que se reportam a águas residuais carregadas, apresentadas no Quadro

37 3. Estado da arte 3.1. Considerações iniciais O problema da quantificação da infiltração em redes de drenagem só começou a ser estudado recentemente. Nos próximos parágrafos apresentam-se os valores regulamentares usados na fase de projeto de sistemas de drenagem em alguns países, descrevem-se alguns dos métodos propostos na bibliografia para estimar a infiltração e faz-se referência a casos de estudo onde eles foram aplicados. Primeiramente expõe-se alguns métodos analíticos de estimativa da infiltração, desenvolvidos nas últimas décadas, e que podem ser divididos em dois tipos: convencionais (análise de caudal ou análise química da água) e não convencionais (método dos isótopos). Depois apresenta-se uma abordagem alternativa para conhecer o fenómeno de infiltração, baseado na construção e análise de modelos de simulação Aspetos regulamentares Uma das primeiras referências à definição e identificação da infiltração em sistemas de drenagem surgiu em 1972 nos Estados Unidos da América (EUA), nomeadamente no documento Federal Water Pollution Control Act Amendments (The National Archieves of the United States 1973). Para que a conceção e construção de estações de tratamento fosse subsidiada pelos governos federais, as entidades gestoras tinham de demonstrar que os sistemas de drenagem não estavam sujeitos a grandes volumes de afluências indevidas (Metcalf & Eddy 2004). Atualmente, os caudais de dimensionamento calculados na fase de projeto de sistemas de drenagem consideram geralmente uma fração constante correspondente à infiltração. Na maioria dos países existe um valor regulamentado, estimado através de métodos convencionais em função do diâmetro da tubagem e da extensão da rede a montante. No Quadro 3.1 apresentam-se os valores usados em alguns países, assim como os seus autores. Em Portugal, os valores admissíveis para o caudal de infiltração são atualmente estipulados pelo Decreto Regulamentar 23/95 (1995). Segundo o artigo 126.º, ponto 4: 4 - Desde que não se disponha de dados experimentais locais ou de informações similares, o valor do caudal de infiltração pode considerar-se: a) Igual ao caudal médio anual, nas redes de pequenos aglomerados com coletores a jusante até 300 mm; b) Proporcional ao comprimento e diâmetro dos coletores, nas redes de médios e grandes aglomerados; neste último caso, quando se trate de coletores recentes ou a construir, podem estimar-se valores de caudais de infiltração da ordem de 0,500 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 coletores de precária construção e conservação. c) Os valores referidos nas alíneas a) e b) podem ser inferiores sempre que estiver assegurada uma melhor estanquidade da rede, nomeadamente no que respeita aos coletores, juntas e câmaras de visita. 13

38 Quadro 3.1: Valores de infiltração propostos em várias fontes bibliográficas. Adaptado de Cardoso et al. (2004). Autor 3 Valores de infiltração Comentários Water Authorities Association (1989) 10% da capacidade do coletor deve ser destinada à infiltração Aplicável ao dimensionamento de sistemas separativos domésticos, no Reino Unido. American Society of Civil Engineers-Water Environment Federation (EPA 2001) 0,05-1,39 m 3 /dia/cm/km 4 Variação de valores de referência locais, nos EUA. 100% do caudal doméstico (em casos justificados pode assumir outra magnitude) Aplicável ao dimensionamento de sistemas separativos Norma ATV118 (ATV-DVWK 2003) Negligenciada no dimensionamento dos coletores mas considerada no dimensionamento de estruturas especiais e estações de tratamento. Aplicável ao dimensionamento de sistemas unitários, e com exceção das estruturas especiais de instalações de tratamento. Decreto Regulamentar 23/95 (1995). Para mm: igual ao caudal médio anual Para mm: entre 0,5 a 4 m 3 /dia/cm/km. Depende do estado de conservação dos coletores. Podem ser considerados valores inferiores se for assegurada a estanquidade da rede. Os valores regulamentares podem servir de incentivo ao controlo da infiltração. Nos EUA, o Federal Water Pollution Control Act Amendments, entre outras normas, promoveram o investimento no controlo das afluências indevidas, tendo sido desenvolvidos inúmeros estudos na área. No entanto, na maioria dos países, os regulamentos e valores de projeto adotados não funcionam como um estímulo à melhoria dos sistemas e levam regularmente ao seu sub e sobredimensionamento. No Brasil, por exemplo, estima-se que os caudais de projeto baseados em coeficientes de infiltração adotados a partir de normas, são 35% a 318% maiores que os valores de caudal total efetivamente medido (Hanai e Campos 1997) Métodos analíticos As afluências indevidas ao sistema de drenagem causam simultaneamente um aumento do caudal e alterações na composição química da água que circula no sistema. Neste subcapítulo apresentam-se os métodos analíticos convencionais baseados na análise de caudal em tempo seco, assim como os métodos químicos. Depois, apresenta-se o método analítico não convencional mais relevante para esta dissertação, o método dos isótopos. 3 Os primeiros dois autores são citados por Cardoso et al. (2004). 4 Por centímetro de diâmetro e por quilómetro de coletor. 14

39 Métodos convencionais Métodos de análise de caudal Os métodos convencionais de análise de caudal assentam na hipótese base de que o caudal total que circula na rede em tempo seco é composto apenas por duas componentes: uma relativa exclusivamente às águas residuais (de origem doméstica ou industrial, ) e outra relativa à infiltração ( ), como mostra a equação (3.1). (3.1) Neste caso, o caudal de infiltração corresponderá à diferença entre o caudal total em tempo seco ( ) e o caudal que teoricamente é apenas relativo a águas residuais. O valor do caudal total é geralmente baseado em séries temporais diárias ou horárias de caudal de tempo seco. Em vários casos de estudo mostrou-se conveniente analisar o caudal num intervalo de tempo significativo, de forma a considerar a variação da posição do nível freático. Relativamente à parcela de águas exclusivamente residuais, a maioria dos métodos calcula-a com base em valores teóricos de caudal, nomeadamente no conceito de caudal de ponta (Schilperoort 2004). Alguns métodos podem ser aplicados também em tempo húmido uma vez que conseguem distinguir a água com origem pluvial das restantes. A aplicação direta da equação (3.1) foi descrita por Brombach et al. (2002) como um método matemático simples que pode ser usado para estimar o caudal anual de afluências indevidas numa dada bacia. A diferença entre a soma dos caudais de tempo seco registados na secção mais a jusante da bacia ao longo de um ano, e a soma dos caudais teóricos de águas residuais afluentes ao sistema no mesmo período, é igual ao volume das afluências indevidas ao longo desse ano. Na metodologia proposta por Brombach et al. (2002), o caudal teórico de águas residuais em tempo seco ( ) é calculado pela equação (3.2), onde C é a capitação doméstica diária, a população servida pelo sistema de drenagem e o caudal anual de descargas industriais. Neste cálculo admite-se uma percentagem de perdas de água de consumo doméstica de 10%. (3.2) Para aplicar esta metodologia são necessários, para além dos dados relativos à capitação, população e descargas industriais, dados de medições contínuas de caudal (geralmente medidos na entrada das ETAR) e de precipitação diária, ao longo do ano em estudo. Estes últimos servem para distinguir os dias de tempo seco, eliminando os restantes da análise. É de salientar que, ao aplicar diretamente a equação (3.1) para estimar a infiltração, assume-se que as águas subterrâneas são a única origem de afluências indevidas, desprezando-se a existência de afluências de escoamento direto. A equação (3.1) pode ser aplicada de uma forma ainda mais simples do que a proposta por Brombach et al. (2002), bastando para isso analisar os caudais mínimos diários em tempo seco, e assumir que a contribuição de águas residuais domésticas é muito reduzida, ou mesmo nula, durante a noite. Vários autores sugerem que, numa bacia em que os caudais mínimos diários se registem 15

40 tipicamente no período noturno, esses mesmos caudais correspondem apenas a infiltração (uma vez que a contribuição de águas residuais é praticamente nula). Em Staufer et al. (2012) foram estudadas as afluências indevidas no sistema de Mützenich (Alemanha). A fração correspondente à infiltração foi obtida através da média dos mínimos noturnos registados nos dias de tempo seco de um dado mês (caracterizados por precipitações inferiores a 0.3 mm). Usando esta metodologia, concluiu-se que o caudal de infiltração era cerca de 300% do caudal total de águas residuais. Refira-se que, neste caso, 50% da rede se encontrava abaixo do nível freático. Apesar de ser pouco rigorosa, esta abordagem pode ser aplicável em bacias pequenas, em situações onde não é fácil ter acesso a dados de população ou que não se pretenda fazer um grande investimento. É também comum admitir que apenas uma percentagem do caudal noturno corresponde a infiltrações, sendo necessário, nesse caso, conhecer ou assumir um fator de ponta mínimo. Weiß et al. (2002) propuseram uma abordagem para analisar os caudais mínimos que dispensa dados de precipitação (ou seja, não é apenas aplicável em tempo seco). O método do mínimo móvel (ou moving minimum, segundo a nomenclatura inglesa) assenta na ideia de que a soma dos caudais de águas residuais com as afluências indevidas, num dado dia, é igual ao caudal mínimo total registado nos 21 dias anteriores. Para aplicar este método é preciso dispor de registos do caudal diário afluente à secção em estudo ao longo de um ano, e estimar um valor teórico para a componente de águas residuais em tempo seco (podendo ser usada a equação (3.2), por exemplo). Desenhando o gráfico dos caudais mínimos em função do tempo e subtraindo o referido caudal teórico de águas residuais (que se assume ser constante) obtém-se uma estimativa para o volume anual que infiltra na bacia de drenagem em estudo. Outro método para estimar a infiltração através da análise de caudais é o método do triângulo, proposto por Weiß et al. (2002). Para o aplicar, é preciso definir o intervalo de tempo em que se pretende estudar a infiltração e ter acesso a séries de caudais diários totais medidos nos pontos de interesse, ao longo desse período. Depois, organizam-se as séries por ordem crescente de grandeza, desprezando-se a ordem cronológica das medições de caudal. Com os dados obtidos, desenha-se um gráfico que relaciona os caudais como percentagem do caudal máximo registado (eixo vertical) e o tempo, como uma percentagem do período de tempo total (eixo horizontal). O resultado obtido é geralmente uma curva em S, como o apresentado na Figura 3.1, relativa à aplicação do método do triângulo à entrada da ETAR de Mirandela. Na Figura 3.1, a linha horizontal representa o caudal teórico de água exclusivamente residual e a área abaixo corresponde ao volume anual de caudal de tempo seco teórico (relativo apenas a águas residuais). A área do gráfico entre a curva de caudais e a linha horizontal corresponde ao volume anual total de águas não residuais (ou seja, à soma do volume de águas pluviais e com origem em escoamentos superficiais com o volume de afluências indevidas). 16

41 Figura 3.1: Aplicação do método do triângulo para a separação das parcelas de água residual, infiltração e escoamento superficial na ETAR de Mirandela (Amorim 2007). A separação das componentes de caudais pluviais e afluências indevidas exige que sejam contabilizados os dias de tempo seco ao longo do período em análise. Conceptualmente, considera-se que o ponto de interseção entre número de dias secos e a curva de caudais divide os caudais de tempo seco (à esquerda do ponto) dos caudais associados a tempo de chuva (à direita). Assumindo que a infiltração é máxima após períodos chuvosos e mínima (ou até mesmo nula) quando a componente de escoamento pluvial direto é máxima, e admitindo que existe uma relação matemática linear, traça-se uma reta entre os dois extremos. Separa-se assim o volume anual de água de origem pluvial do volume anual de infiltração, obtido através da área do triângulo formado entre a curva em S e a referida reta. Até agora foram descritas abordagens fundamentalmente baseadas na equação (3.1) e na análise de dados de caudal. No entanto, existe ainda outro princípio vulgarmente aplicado no estudo da infiltração e que leva à introdução de um novo conceito nesta dissertação: a fração de infiltração. Uma ideia transversal a muitos métodos analíticos é que o caudal de infiltração é uma fração do caudal total ou do caudal médio de águas residuais, como se mostra nas equações (3.3) e (3.4), respetivamente. Nesta dissertação optou-se por usar a letra para descrever o segundo. para descrever o primeiro caso e (3.3) (3.4) No caso dos métodos de análise de caudal, a fração de infiltração é normalmente obtida através da análise dos caudais mínimos diários registados ao longo de um intervalo de tempo considerável (preferencialmente superior a 6 meses). A infiltração indesejada de águas subterrâneas nos sistemas de drenagem pode representar mais de 50% do caudal total que circula na rede (Kracht et al. 2003). 17

42 Mostrou-se que no Reino Unido o caudal de infiltração corresponde, em média, a uma percentagem variável entre 15% e 50% do caudal médio total de tempo seco (Ellis 2001). Uma das principais limitações dos métodos convencionais é a sua dependência de registos e dados locais, nomeadamente: Caudal médio relativo apenas a águas residuais de origem doméstica e industrial, regularmente estimado com base nos padrões de consumo da zona em estudo. Número de habitantes e respetivos valores de referência para o caudal descarregado, per capita. Medições precisas do caudal, nomeadamente no período noturno (quando a altura de água nas tubagens é reduzida). É ainda de referir que os valores de infiltração obtidos por estes métodos podem estar influenciados por vários erros. Os caudais noturnos podem ter contribuições de descargas industriais ou bombagens de caves, e a qualidade das medições pode ser afetada pela reduzida altura de água. Podem existir afluências com consistência no tempo, principalmente em redes extensas. A estimativa do caudal de águas residuais implica a atribuição de capitações e está por isso associada a grandes incertezas (depende da dimensão do agregado, hábitos higiénicos populacionais, disponibilidade de água, estrutura populacional, alterações climáticas, entre outros). Verifica-se também uma variação sazonal significativa no caudal de águas residuais domésticas. A parcela relativa às descargas industriais também é difícil de quantificar devem ser usados valores registados ou, na ausência deles, considerados os caudais máximos de descarga permitidos por lei Métodos químicos Neste subcapítulo descrevem-se alguns dos princípios gerais dos métodos químicos para estimativa da infiltração, propostos na bibliografia. O pressuposto transversal a todos os métodos químicos é o de que a infiltração causa a diluição do esgoto e leva à diminuição da concentração dos poluentes tipicamente presentes nas águas residuais, em tempo seco. Nas condições da equação (3.1), e assumindo que as águas de infiltração não têm os mesmos níveis de contaminação das águas residuais, pode-se estimar a infiltração através da comparação entre a concentração de um determinado poluente no caudal total (medido numa dada secção da rede) e a concentração típica das águas residuais locais (encontrada na bibliografia ou estimada com base nas características da população e no consumo de água). Para explicar o conceito da análise química na estimativa da infiltração, descreve-se de seguida um dos trabalhos mais completos nesta área, desenvolvido por Kracht e Gujer (2004). Os autores propõem a quantificação da infiltração através de três passos: medição simultânea e contínua do caudal e da concentração de um determinado poluente (numa dada secção do coletor), posterior análise das séries temporais de concentrações e caudal obtidas e, por fim, construção de um modelo matemático que permita descrever a concentração de um dado poluente em ordem ao caudal 18

43 medido. Este método, habitualmente chamado de método das séries temporais de cargas poluentes, baseia-se num simples balanço de massa, descrito pela equação (3.5). (3.5) Analogamente ao princípio base traduzido pela equação (3.1), a aplicação da equação (3.5) implica admitir que a concentração total de poluente medida num dado ponto ( ) reflete as concentrações das duas componentes contribuintes do caudal total: águas residuais puras ( ) e infiltração ( ). Para aplicar a equação (3.5) é necessário conhecer a concentração de um determinado poluente nas águas residuais e nas águas de infiltração. No primeiro caso, e numa perspetiva simplificada, pode estimar-se um valor teórico constante calculado com base nas características da população da bacia e do consumo de água. Na Holanda, por exemplo, o valor standard da concentração de CBO em águas residuais domésticas é de 54 g(o 2 )/dia/hab (Schilperoort 2004). Alternativamente, e no caso de se pretender um maior nível de rigor nos resultados, pode considerar-se que a concentração de um determinado poluente nas águas residuais é função do caudal de águas residuais e do tempo, variando com ambos os parâmetros (3.6). O método proposto por Kracht e Gujer (2004) também prevê a variação da taxa de infiltração ao longo do tempo, nomeadamente através da divisão conceptual do caudal infiltrado em duas componentes: uma constante ( ) e outra que decresce exponencialmente com o tempo. Esta última parcela descreve a influência da retenção de água nas camadas superficiais do solo após um fenómeno de precipitação, e encontra-se discriminada na equação (3.7), onde é a magnitude inicial do caudal que não é de base no instante, e é uma constante recessiva. Quanto maior for a intensidade da precipitação anterior ao período de tempo seco, maior será, e quanto maior for a capacidade de retenção e armazenamento do solo, menor será o valor do coeficiente. ( ) ( ) (3.6) ( ) (3.7) De forma a ilustrar melhor a separação da infiltração em duas componentes, apresentam-se na Figura 3.2 os hidrogramas obtidos em dois casos de estudos onde foi aplicado o método das séries temporais de cargas poluentes. São claramente distinguíveis as três componentes consideradas pelo modelo: águas residuais, infiltração de base e infiltração variável (exponencialmente decrescente). Relativamente à concentração do poluente na componente de infiltração, a alternativa mais simples e que é frequentemente usada é escolher a CQO como poluente traçador. Esta escolha simplifica o processo de cálculo, uma vez que na maioria dos casos se pode admitir que a concentração de matéria orgânica nas águas freáticas é muito baixa, podendo ser negligenciável quando comparada com a água residual doméstica (Kracht e Gujer 2004). Assim, pode-se assumir que a concentração presente na equação (3.5) é nula. 19

44 Figura 3.2: Separação dos hidrogramas obtidos em duas bacias de drenagem na Suíça, onde foi aplicado o método das séries temporais de cargas poluentes (Kracht e Gujer 2004). A escolha da CQO como parâmetro traçador tem ainda outras vantagens. Por um lado, é um traçador relativamente conservativo e a sua concentração não se altera significativamente com fenómenos como a adsorção, oxirredução, ph ou variações de temperatura. Por outro, é um parâmetro conhecido, utilizado em outras situações e que já é monitorizado nas redes de drenagem (a sua medição não exige necessariamente um custo operacional acrescido). A concentração de sólidos suspensos totais também pode ser usada como traçador natural das águas residuais. No entanto, a SST tende a sobrestimar o caudal de infiltração devido à sedimentação de sólidos nas zonas mais elevadas das bacias, principalmente durante o período noturno (levando a um decréscimo da concentração de SST nas secções mais a jusante) (Bares et al. 2008). Recentemente, Shelton et al. (2011) desenvolveram um estudo do potencial de vários marcadores químicos menos comuns, nomeadamente a cafeína, o nitrogénio total, os sólidos suspensos totais (SST), Escherichia coli (E. coli) e Enterococci. Verificou-se que os dois últimos marcadores, de origem bacterial, são muito menos estáveis que os físico-químicos e concluiu-se que o traçador mais estável era o nitrogénio total. No entanto, não foram encontrados casos de aplicação em que tenha sido usado este parâmetro para estimar a infiltração. No caso do método das séries temporais de cargas poluentes, importa referir que um requisito chave para o seu sucesso é garantir uma elevada resolução temporal das séries, o que só é possível se for usado equipamento adequado. O caudal deve ser medido com os melhores medidores disponíveis e a CQO deve ser obtida através de medições óticas, sendo para isso necessário utilizar um espectrofotómetro de radiação UV/visível de comprimento de onda múltiplo. A utilização deste tipo de equipamento, testada nas duas bacias referidas na Figura 3.2, permite reconhecer e definir um padrão. Com base nesse padrão, pode-se obter um modelo matemático que simule a concentração de CQO numa determinada secção da rede de drenagem (Kracht e Gujer 2004). A adequação do modelo é retratada na Figura 3.3, onde se mostra que os valores modelados se aproximam bastante dos medidos numa campanha pontual. A vantagem desta abordagem é que depois de calibrado, o modelo permite que a infiltração seja estimada (em situações futuras) com base apenas em dados de caudal. 20

45 Figura 3.3: Comparação entre os resultados do modelo matemático de simulação de CQO com os resultados reais medidos numa campanha pontual (Kracht e Gujer 2004). O uso de tecnologias de medição mais avançadas e a construção de um modelo matemático são as únicas características que distinguem a metodologia proposta por Kracht e Gujer (2004) de outras semelhantes e anteriores. Já em 1997, por exemplo, tinha sido realizado um trabalho na bacia do Ribeirão do Ouro (Brasil) em que foram aplicados exatamente os mesmos princípios, mas de forma muito mais simplificada. Usaram-se dados de caudais mínimos noturnos (entre as 03:00 e as 06:00 horas), estimou-se um valor teórico para o caudal de águas residuais e considerou-se que a concentração de CQO nas águas residuais era igual à média diária. Neste caso de estudo conclui-se que 90% do caudal noturno era devido a infiltrações e que a infiltração real era 2.93 vezes inferior à referida pelas normas Brasileiras. O facto de a infiltração ser inferior ao previsto foi em parte justificado pelo nível de submersão da rede, em relação ao nível freático (Hanai e Campos 1997). As normas brasileiras assumem que toda a rede está submersa, o que não corresponderá, na maioria das redes de drenagem, à realidade. Na bacia estudada por Hanai e Campos, apenas 29% da rede estava submersa no aquífero local. Também a título exemplificativo, e numa situação mais recente, a equação (3.5) foi aplicada a uma bacia em Praga, tendo-se estimado que 45% do caudal médio diário que circulava na rede tinha origem em afluências indevidas (Bares et al. 2008). Antes de finalizar este subcapítulo e encerrar a descrição dos métodos analíticos e convencionais, faz-se referência a um estudo comparativo onde foram analisados, para a mesma bacia, os resultados de infiltração obtidos por diversos métodos. Foram analisados alguns dos métodos apresentados nesta dissertação, e ainda outros. O estudo foi desenvolvido por De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004a) e conclui que o método escolhido para a quantificação da infiltração influencia significativamente o resultado obtido, podendo os valores de caudal de infiltração obtidos variar em quase 20% (Figura 3.4). Com base nos resultados, o autor concluiu que os métodos tradicionais apresentam uma incerteza demasiado elevada na estimativa do valor da infiltração e na localização dos pontos de origem. Os métodos analisados, respetivos princípios e autores apresentam-se no Quadro 3.2, que serve também para listar algumas das metodologias existentes mas que não foram referidas nesta dissertação. 21

46 Quadro 3.2: Alguns métodos convencionais para estimar a infiltração (De Bénédittis e Bertrand-Krajewski 2004a). Método Código 5 País Autor 6 Tipo Caudal de tempo seco F1 - - Medição de caudal Caudal de tempo seco (bis) F1 (bis) Suíça Hager et al. (1985) Medição de caudal Média da densidade F2 Áustria Ertl et al. (2002) Medição de caudal Amnen & Muller F3 Áustria Annen, (1980) Medição de caudal Triângulo F4 Alemanha Weiß et al. (2002) Medição de caudal Mínimo móvel F5 Alemanha Weiß et al. (2002) Medição de caudal Diferença de caudal diário F6 França Joannis (1994) Medição de caudal Diferença de caudal noturno F7 França Joannis (1994) Medição de caudal Caudal mínimo noturno F8 França Renault (1983) Medição de caudal Caudal noturno corrigido F9 França Renault (1983) Medição de caudal Caudal noturno corrigido (bis) F10 Suíça Hager et al. (1985) Medição de caudal Parâmetro de forma F11 França Joannis (1994) Medição de caudal IMHOFF França Renault (1983) Químico Suíço Suíça Hager et al. (1985) Químico Híbrido ou Horizon França Horizon (1992) Químico Figura 3.4: Volumes de infiltração estimados pelos métodos do Quadro 3.2 nas diversas sub-bacias estudadas por De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004a) Métodos não convencionais: método dos isótopos Depois de terem sido apresentados alguns dos métodos convencionalmente usados para a estimativa da infiltração em redes de drenagem, apresenta-se agora um método não convencional, baseado na análise de razões isotópicas. O método dos isótopos implica um estudo químico das águas residuais, mas não foi incluído no subcapítulo porque não ser um método convencional. 5 Referente à Figura Autores citados por De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004a), que não constam das Referências Bibliográficas desta dissertação. 22

47 Refira-se que o presente subcapítulo baseia-se em alguns dos trabalhos desenvolvidos no âmbito do projeto Assessing Infiltration and Exfiltration on the Performance of Urban Sewer Systems (APUSS), financiado pela Comissão Europeia no âmbito do 5.º Programa Quadro de Investigação e Desenvolvimento, e que decorreu entre 2001 e Este projeto foi dedicado às questões de infiltração e exfiltração em redes de drenagem urbana, tendo envolvido a participação de sete países europeus (incluindo Portugal), várias universidades, pequenas e médias empresas e municípios. Uma das principais áreas de trabalho deste projeto foi o desenvolvimento de novos métodos de medição de infiltração, que permitissem diferenciar zonas do sistema de coletores com ocorrência de infiltração, baseados num esforço analítico limitado e com um baixo risco ambiental (Cardoso et al. 2006). No APUSS foram identificados dois tipos de métodos para estimar a infiltração à escala da sub-bacia: um baseado na medição dos isótopos de oxigénio 16 O e 18 O (apresentado neste subcapítulo) e outro baseado na medição simultânea e contínua do caudal e da concentração em CQO (anteriormente apresentado em ). A apresentação do método dos isótopos divide-se em três partes. Primeiro é introduzida a definição de razão isotópica, depois são explicados os princípios do método dos isótopos e por fim apresentam-se dois exemplos da sua aplicação. Definições Os isótopos são átomos do mesmo elemento químico que apenas diferem no número de neutrões presentes no núcleo. Cada um dos elementos constituintes da molécula de água, oxigénio (O) e hidrogénio (H), contém três isótopos estáveis. No método dos isótopos proposto por Kracht et al. (2004) é usada a razão entre dois isótopos de oxigénio, 18 O e 16 O. Esta razão, também designada por, pode ser calculada por comparação com padrão de referência para a água, SMOW (Standard Mean Oceanic Water), como mostra a equação (3.8). ( ) ( ) ( ) ( ) (3.8) A abundância de um dado isótopo em águas naturais depende de fatores como as características dos eventos de precipitação (altitude, latitude, distância ao oceano), do ciclo de evaporação/condensação ou a ocorrência de trocas minerais (De Bénédittis e Bertrand-Krajewski 2004b). Na Figura 3.5 apresentam-se as gamas de valores de em diversas origens naturais de água. Princípios básicos Uma vez que o método dos isótopos será descrito e aplicado no subcapítulo 4.3 deste trabalho, nos próximos parágrafos descrevem-se apenas os seus princípios básicos. Uma explicação mais detalhada do método pode ser consultada em De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b). 23

48 Figura 3.5: Variações da razão 18 O em águas naturais. Adaptada de Schilperoort (2004). A composição de isótopos estáveis das águas naturais não varia facilmente com possíveis alterações químicas ou com atividade biológica. Pensa-se inclusivamente que a presença de isótopos estáveis não seja sequer afetada pela utilização da água nas infraestruturas urbanas. Assim, a razão isotópica pode ser usada como um traçador natural e aplicada na estimativa de infiltração. No principal estudo realizado sobre este tema, desenvolvido em Kracht et al. (2003), optou-se por usar a razão isotópica 18 O/ 16 O (também denominada por 7 ), atrás descrita. O objetivo passa por usar os isótopos estáveis de oxigénio presentes na água da rede como referência para as águas residuais, e os das águas subterrâneas locais como referência para a água infiltrada. Este princípio foi também estudado por Houhou et al. (2009), que confirmou a viabilidade da utilização de isótopos estáveis para determinar a origem e quantidade de água limpa que entra nos sistemas de drenagem. Considerando que as águas de consumo têm razões isotópicas distintas das águas subterrâneas, é possível estimar a infiltração através da medição da razão à saída de uma dada sub-bacia e aplicando posteriormente a equação de balanço de massa. Apesar de ser simples e pouco dispendioso, o método dos isótopos tem uma utilização limitada, podendo apenas ser aplicado em sub-bacias onde as características isotópicas das águas de consumo e das águas subterrâneas sejam homogéneas. Outra desvantagem é que são apenas admitidas duas origens para as afluências indevidas, nomeadamente a água de abastecimento e água subterrânea. Segundo Kracht e Gujer (2006), a precisão das estimativas de infiltração e outras afluências depende da variabilidade natural da composição isotópica dos aquíferos e do estado de conservação da rede. Devem ser realizadas investigações hidrológicas minuciosas para definir os principais caminhos, origens e tipos de água na bacia em que se pretende aplicar o método. 7 É usada a notação standard internacional referida na norma V-SMOW. 24

49 Aplicações O método dos isótopos foi aplicado em vários casos de estudo. Na Bélgica foram desenvolvidos testes piloto em duas cidades (Eskel e Hamme) e concluiu-se que o método dos isótopos poderia ser usado em ambos os casos, com sucesso (Dirckx et al. 2009). Foram também testadas três zonas com bacias e características muito distintas: Toraccia (zona suburbana de Roma, Itália), Rümlang (Zurique, Suíça) e na zona urbana de Lyon (França). Nos próximos parágrafos descrevem-se os últimos dois estudos mencionados, respetivamente na bacia de Ecully (Lyon, França) e Rümlang (Zurique, Suíça). Ecully (França, Lyon) O primeiro estudo apresentado foi realizado na bacia de Ecully, que se localiza na zona residencial urbana de Lyon e ocupa uma área de 245 ha. As diferenças significativas na composição isotópica das várias origens de água nesta região tornam-na adequada para aplicar o método dos isótopos. Numa primeira fase realizaram-se campanhas preliminares para testar a aplicabilidade do método. Foram medidas as diferentes composições de nas várias fontes de água da bacia, nomeadamente a rede de abastecimento, os rios Ródano e Saône e os aquíferos a eles associados. Realizaram-se duas campanhas para avaliar os efeitos sazonais, uma em Março e outra em Setembro de Os valores obtidos foram devidamente analisados compararam-se as composições de isótopos nos diferentes tipos de água e em diferentes períodos do ano, tendo-se concluído que o método dos isótopos podia ser aplicado. Foi então recolhido um conjunto de amostras da água circulante na rede de drenagem durante um período de 24 horas, com início às 10:00 horas de 12/03/2003 (Figura 3.6). Figura 3.6: Valores de 18 O medidos na bacia de Ecully (Lyon) em 12 e 13 de Março de Adaptada de De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b). Como se pode ver na Figura 3.6, o valor de de todas as amostras recolhidas está dentro dos limites de referência para águas exclusivamente provenientes de infiltração ( inf) ou águas da rede ( AR). Consequentemente, é viável admitir que a água que circula na rede de drenagem é uma 25

50 mistura da água potável, proveniente da rede de abastecimento, e da infiltração de águas subterrâneas. A proporção destas duas componentes do caudal total foi calculada para cada amostra, o que permitiu conhecer o hidrograma diário, representado na Figura 3.7, e a partir do qual se podem ler os valores estimados do caudal de infiltração. Figura 3.7: Composição de um hidrograma diário usando o método dos isótopos. Adaptada de De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b). Ao construírem o hidrograma diário, os autores depararam-se com elevadas variações horárias de infiltração (o que não seria expectável). Isso motivou a análise e quantificação das incertezas do método, assunto que se encontra descrito com detalhe em De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b). Quanto à justificação e causa das variações registadas, foram sugeridos dois fenómenos distintos: O facto de o método dos isótopos estimar um valor para a infiltração sem ter em conta a forma como essa água entrou na rede de drenagem. Assim, o caudal infiltrado pode provir não só de problemas em juntas, defeitos nos coletores, etc. mas também de descargas de águas residuais bombadas para diversos propósitos (arrefecimento, etc.). O mecanismo da infiltração real: quando o perímetro molhado dos coletores diminui (nomeadamente durante o período noturno) e a diferença de pressões entre o nível freático e o nível de água no coletor aumenta, o potencial de infiltração é superior. Concluindo, este estudo mostrou que os isótopos de oxigénio podem ser usados para quantificar a infiltração (relativa a águas subterrâneas) se as condições de aplicabilidade do método forem satisfeitas. Verificou-se ainda que a taxa de infiltração na bacia de Ecully, ao longo do período analisado, foi variável durante o dia. Rümlang (Zurique, Suíça) O segundo caso de estudo abordado neste subcapítulo refere-se à bacia de Rümlang, uma pequena localidade com cerca de 5400 habitantes, localizada perto de Zurique, Suíça. A água que abastece vila provém do Lago Zurique, que é maioritariamente alimentado pela precipitação nos Alpes. 26

51 Segundo medições realizadas no local, a água potável que circula na rede de distribuição apresenta uma razão de -11.3, enquanto a composição média das águas subterrâneas foi estimada em (Kracht e Gujer 2006). Para otimizar a aplicação experimental do método dos isótopos, todas as captações de águas subterrâneas locais foram substituídas por água com características semelhantes às do lago, durante algumas semanas (antes da campanha de recolha de amostras). Refira-se também que neste estudo foram considerados, simultaneamente, isótopos de oxigénio e hidrogénio. Isto permitiu detetar e entender a interferência de determinados fatores, como os efeitos causados pela evaporação, nos dois tipos de isótopos. A Figura 3.8 compara uma série temporal de valores de de várias fontes de água e mostra ainda a resultante separação do hidrograma nas suas diferentes componentes. O valor estimado para a infiltração de águas subterrâneas foi de 712 m 3 /dia, o que corresponde a 39% do caudal diário total na rede de drenagem. Ao analisar a Figura 3.8 é interessante verificar que o caudal de afluências indevidas apresenta algumas flutuações diárias, tal como aconteceu no caso de estudo de Ecully. Com base em conhecimentos e estudos anteriores, seria espectável que o caudal de afluências sofresse variações sazonais, mas não diárias. Os autores interpretaram estas flutuações como sendo resultado do armazenamento de grandes volumes de água em zonas mortas, distribuídos ao longo da rede de drenagem. Figura 3.8: Caracterização isotópica e decomposição do hidrograma diário nas suas componentes básicas: águas residuais e infiltração (Kracht e Gujer 2004). A incerteza nos resultados obtidos neste caso de estudo deveu-se principalmente à mistura de água de diferentes redes de abastecimento e à existência de pequenas captações locais (Kracht e Gujer 2006). Os autores deste estudo afirmam que, em situações favoráveis, o método dos isótopos poderá estimar taxas de infiltração com um erro inferior a 5% Modelos de simulação Ao longo dos últimos anos, alguns estudos mostraram que as redes de drenagem se comportam de forma semelhante aos cursos de água, existindo uma grande semelhança entre os processos de alimentação em cursos de água superficiais e o fenómeno de infiltração em coletores. No estudo desenvolvido por Karpf e Krebs (2004), concluiu-se que as metodologias usadas para descrever as 27

52 interações entre rios e aquíferos podem ser aplicadas, com as devidas adaptações, a casos em que se pretenda simular a dinâmica da infiltração de água subterrânea em sistemas de drenagem. Seguindo este princípio, têm sido desenvolvidos dois tipos de modelos de simulação: uns que se baseiam em teorias de armazenamento e retenção de água no solo (Belhadjd et al. 1995; Raynaud et al. 2008; citados por Karpf e Krebs 2012) e outros que recorrem a leis físicas unidimensionais, como a lei de Darcy, para estimar a infiltração (Gustafsson 2000; Karpf e Krebs 2004). Relativamente ao segundo caso, apresenta-se, a título de exemplo, a equação proposta por Karpf et al. (2007) para estimar o caudal de infiltração (3.9). (3.9) Na equação (3.9), é um coeficiente de infiltração que depende da permeabilidade da tubagem, calculado através de uma regressão linear múltipla, é a área da secção molhada pela água subterrânea, é a diferença de pressões entre o nível freático e a altura de água no interior da tubagem e é a distância média entre e o nível freático. O princípio de interligação entre sistemas de drenagem e o meio hidrológico envolvente foi integrado em diversos softwares de modelação de bacias urbanas, de modo a torná-los capazes de representar processos que normalmente são negligenciados, como é o caso da infiltração nos sistemas de drenagem. Um dos primeiros modelos a merecer destaque foi o modelo computacional integrado proposto por Gustafsson (2000), no qual se desenvolveu o uso conjunto de dois programas da DHI (Danish Hydraulic Institute): MOUSE e MIKE SHE. Na abordagem proposta, o MOUSE e o MIKE SHE são executados independentemente (como se existissem dois modelos diferentes), exceto em três elementos, nos quais os dois softwares são acoplados: Interação entre tubagens e o aquífero calcula-se o caudal infiltrado com base na lei de Darcy, considerando a variação temporal e espacial da pressão nas tubagens e no aquífero envolvente, a superfície da tubagem em contacto com a água subterrânea e adota-se um coeficiente de infiltração empírico. O caudal proveniente de ligações de serviço, drenos de caves ou de outras redes que não são consideradas no M USE, é transportado para câmaras de visita previstas no modelo MOUSE (de forma a ser considerado). Áreas que são consideradas impermeáveis no MIKE SHE passam a ser descritas como zonas de escoamento superficial no modelo MOUSE. A combinação destes softwares permitiu modelar, com sucesso, a interação entre os sistemas de drenagem e os sistemas de água subterrânea envolventes em três casos de estudo na Suécia. Apesar de requerer uma grande resolução geográfica e um grande investimento de tempo e dinheiro, o modelo acoplado MIKE SHE-MOUSE permite localizar as áreas com maior potencial de infiltração e é particularmente vantajoso quando se pretende conhecer as alterações hidrogeológicas que a implementação de uma rede de drenagem tem num dado local. Um dado interessante obtido deste 28

53 modelo, e que merece destaque na análise de infiltração, é que o próprio nível freático é influenciado pelo sistema de drenagem. Por outras palavras, a altura piezométrica das águas subterrâneas na zona envolvente da rede é inferior à altura piezométrica natural (que se mediria se não existisse a rede). Este raciocínio é concretizado na Figura 3.9, onde se representam as alturas de água na presença ou ausência da tubagem, para um caso de estudo analisado por Gustafsson (2000). Verifica-se, de facto, que em muitas cidades europeias os níveis freáticos só não se encontram mais próximo da superfície porque são controlados pela existência de sistemas de drenagem permeáveis (Kracht et al. 2003). Figura 3.9: Simulação feita para um caso de estudo, onde se mostra que a existência do sistema de drenagem tem uma influência expressiva no nível freático. Adaptada de Gustafsson (2000). Anteriormente ao MIKE SHE, o modelo conceptual MOUSE NAM, também desenvolvido pela DHI, foi aplicado em centenas de bacias na Suécia, com o objetivo de modelar os processos hidrogeológicos que afetam as afluências indevidas (Gustafsson 2000). Este tipo de modelo não permite, no entanto, a consideração de alterações futuras na rede e dos seus efeitos. Existem várias outras propostas de modelos computacionais, como é o caso do URBS (Urban Runoff Branching System), apresentado em Rodriguez et al. (2004). Mais recentemente, Karpf e Krebs (2011) também propuseram um modelo que combina dados das águas subterrâneas com a informação relativa ao sistema de drenagem. A metodologia proposta permite estimar não só a infiltração mas também as afluências de escoamento direto, tornando clara a contribuição de cada uma destas componentes para o caudal total. O referido modelo destaca-se pelo facto de agrupar as tubagens em diferentes classes, consoante as suas características estruturais. Este foi um aspeto inovador e que teve em conta os resultados de investigações anteriores, que provaram a existência de uma correlação entre as características estruturais do sistema de drenagem (diâmetro, material, profundidade da soleira) e a fração de infiltração. Os grupos de tubagens foram criados com base em dois critérios: o número de dias por ano em que o nível freático estava acima da altura de escoamento na tubagem, e o ano da sua construção. O primeiro critério considera a deterioração causada pela submersão, e tem maior peso que o segundo, que reflete a importância da idade nas condições estruturais da tubagem. A otimização do modelo foi feita através da aplicação do método dos mínimos quadrados a cada classe. 29

54 Os modelos de simulação estimam a infiltração com base em condições de fronteira previamente definidas, como mostra esquematicamente a Figura Figura 3.10: Representação esquemática da secção transversal considerada por um modelo tridimensional de infiltração (Karpf e Krebs 2012). Recentemente, Karpf e Krebs (2012) apresentaram uma abordagem que dá particular ênfase à importância da definição das condições de fronteira. Os autores desenvolveram uma linha de raciocínio que envolve três fases consecutivas. Primeiro prepararam um modelo hidráulico tridimensional (usando o programa MODFLOW) com o objetivo de estudar detalhadamente a influência das condições de fronteira. Depois, com base nesse modelo, foi desenvolvido um modelo unidimensional de infiltração, baseado na lei de Darcy. A análise a uma dimensão foi fundamental porque um modelo 3D não poderia ser aplicado a situações reais, devido à incompatibilidade do formato dos dados disponíveis (Karpf e Krebs 2012). Por fim, foram feitas diversas simulações com condições de fronteira diferentes, de forma a identificar as zonas (em profundidade) com maior potencialidade de ocorrência de infiltração. Os resultados do estudo de Karpf e Krebs (2012) confirmaram que a infiltração de água subterrânea representa um problema tridimensional complexo. Ainda assim, a análise tridimensional permitiu concluir que existe uma relação linear entre a taxa de infiltração e a condutividade hidráulica do material de aterro e do potencial hidráulico (Figura 3.11). Consequentemente, é admissível proceder apenas a uma análise unidimensional e aplicar a lei de Darcy (Karpf e Krebs 2012). Figura 3.11: Taxa de infiltração, carga hidráulica e condutividade do meterial de aterro, obtidas através de simulações no progama MODFLOW (Karpf e Krebs 2012). 30

55 Também do estudo de Karpf e Krebs (2012) se concluiu que a perda de pressão na vizinhança das fissuras dos coletores é não só influenciada pela diferença de carga hidráulica (entre o nível freático e o nível de água dentro do coletor), mas também pela profundidade de assentamento do coletor, pela condutividade do solo e do material de aterro e pela extensão da área de tubagem por onde a água entra (ou sai). O volume infiltrado depende ainda da dimensão das fissuras dos coletores. Danos de menores dimensões podem causar fluxos superiores do que os de maior dimensão, uma vez que quanto mais pequena for a área de infiltração, maior é a importância do fluxo horizontal (na vizinhança) (Karpf e Krebs 2012). Esta relação pode ser vista na Figura 3.12, onde se observa que a taxa de infiltração diminui progressivamente, à medida que amenta a área de infiltração. Também existe uma relação entre a infiltração e a forma dos orifícios de entrada, geralmente correspondentes a danos e fissuras das paredes das tubagens. Na Figura 3.12 apresenta-se a infiltração relativa a uma área de entrada de 9 cm 2, consoante a forma do orifício seja em cruz, retangular ou linear. Figura 3.12: Influência da área e da forma dos orifícios da tubagem no processo de infiltração. Adaptada de Karpf e Krebs (2012). A criação de modelos implica um trabalho exaustivo de recolha de dados hidrológicos, geológicos e relativos à rede de drenagem. Para criar um modelo do tipo MOUSE-MIKE SHE é necessário dispor-se dos dados geográficos, geométricos e geofísicos do local em estudo. É ainda relevante conhecer as condições meteorológicas e outras condicionantes mais específicas, consoante o caso em estudo. Os inputs mais típicos são a topografia, uso do solo e características das culturas/vegetação, mapas detalhados (propriedades, habitações, estradas, etc.), superfícies impermeáveis e respetivas condições de escoamento e drenagem, geometria dos rios, lagos, e outros cursos de água, geometria do sistema de drenagem, cota das fundações e tubagens, informação geológica (incluindo características hidrogeológicas), informação relativa à extração de água subterrânea, séries temporais de precipitação diária e o valor mensal típico da evapotranspiração. Os parâmetros específicos necessários a cada modelo dependem de caso para caso. No caso de estudo abordado em Karpf e Krebs (2011), foram usados registos de caudal afluente à ETAR local, intensidade de precipitação, temperatura do ar, profundidade dos níveis freáticos, nível de água do rio Elba e medições de caudal num curso de água local. Refira-se que, em muitos casos, a modelação pode envolver a simplificação de condições reais, como por exemplo assumir que as características do solo e do material de aterro são homogéneas (Karpf e Krebs 2012). 31

56 Outra etapa fundamental é o processo de calibração do modelo. No caso do MIKE SHE-MOUSE, exige-se que se conheçam dados como a posição do nível freático, as afluências indevidas detetadas (em todos os locais possíveis) e informações relativas ao estado de conservação do sistema de drenagem. No caso estudado por Karpf e Krebs (2012), para otimizar os parâmetros foram usados dados de 4 anos ( ) e para a validação do modelo foram usados dados de 2005 a A resolução temporal dos registos foi de um dia, exceto no caso dos registos do nível freático, que eram espaçados de 8 dias. O número de medições do nível freático e a localização das mesmas deve ser baseado na experiência e depende de local para local. Nos casos até agora estudados têm sido recolhidas entre 6 a 12 amostras para bacias com áreas entre os 200 e os 500 ha (Gustafsson 2000). 32

57 4. Proposta de abordagem metodológica para estimativa da infiltração 4.1. Considerações iniciais Neste capítulo apresenta-se uma metodologia para estimar a infiltração em redes de drenagem. Para uma melhor compreensão do texto, encadeou-se o processo em três níveis de exigência e precisão de dados crescente: nível I, II e III (Figura 4.1). Nível Ideias base Exigência de dados e precisão de resultados I II III Análise dos caudais mínimos e admissão de uma hipótese de contribuição do esgoto no período noturno (fator de ponta mínimo). Análise da razão isotópica das diversas origens de água que afluem ao sistema de drenagem e aplicação do método proposto por De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b) para estimar a infiltração. Construção de um sistema de modelos de simulação que permitam calcular a infiltração num determinado instante e para uma qualquer secção da rede de drenagem. Figura 4.1: Quadro-resumo de cada nível da metodologia proposta para a estimativa da infiltração. O primeiro nível apresentado adequa-se a situações em que não se pretenda fazer um grande investimento, ou em que o acesso a dados seja escasso. Por sua vez, o último nível exige um elevado número de dados e um grande conhecimento das características da bacia em estudo (mas fornece também resultados mais precisos). Enquanto nos dois primeiros níveis se pretende fundamentalmente obter um valor anual ou sazonal para a infiltração, no nível III o objetivo é mais ambicioso: prever, para um dado instante e numa dada secção da bacia em estudo, o caudal infiltrado. Os modelos de nível I e nível II foram aplicados ao caso de estudo do Caneiro de Alcântara, sendo os resultados apresentados no Capítulo 6 desta dissertação. O prazo de realização desta dissertação não permitiu, no entanto, a aplicação do modelo de nível III. Antes de prosseguir para a descrição da proposta metodológica, é importante fazer uma referência às definições de tempo seco, tempo húmido e tempo de transição. Como já foi atrás referido, a análise de infiltração num sistema unitário deve ser feita em tempo seco, ou seja, quando não chegam ao sistema de drenagem afluências originadas pela precipitação. No entanto, não é fácil concretizar este conceito num número de horas ou dias, até porque as condições variam muito consoante o local e as características naturais da bacia e do sistema de drenagem. A definição de tempo húmido é relativamente consensual e abrange todos os dias em que a precipitação total sobre a bacia foi igual ou superior a um dado limite. Nesta dissertação considera-se o valor de 0.25 mm, à semelhança do apresentado em Brito (2012). O tempo de transição (ou seco-transição, como se propõe chamar neste trabalho) corresponde aos dias secos que precedem o tempo húmido e em que o caudal ainda pode estar afetado pela precipitação dos dias anteriores. É exatamente a definição deste conceito 33

58 que é complexa, sendo que para cada caso de estudo deve ser feita uma análise semelhante à apresentada no Anexo I. Esclarecidas as definições de tempo seco, seco-transição e húmido, pode-se prosseguir para a explicação da metodologia proposta. Nos próximos parágrafos apresentam-se, por ordem crescente de acesso a dados e precisão de resultados, os três níveis da abordagem (resumidos mais à frente, na Figura 4.1). Refira-se que a abordagem que se apresenta em seguida foi desenvolvida e deve ser apenas aplicada em sistemas unitários gravíticos (se existirem bombagens, a análise do caudal fica completamente distorcida) Modelo de nível I O caudal de infiltração numa dada rede de drenagem pode ser estimado através de um raciocínio hidráulico simples. Para o aplicar, é preciso ter acesso a medições de caudal num dado intervalo de tempo e a estimativas da população abrangida pela bacia de drenagem que se pretende estudar. Considere-se que o caudal médio medido na rede de drenagem reflete apenas a influência de duas componentes: caudal doméstico real e caudal de infiltração (considerado constante ao longo do dia). Nestas condições, o caudal médio total de tempo seco pode ser descrito como se apresenta na equação (4.1). (4.1) Na equação acima, é a média dos caudais medidos numa determinada secção da rede de drenagem, ao longo de um dado período de tempo seco, é o caudal médio de águas residuais e é o caudal de infiltração, no mesmo período e para a mesma secção. O caudal de infiltração pode ser descrito como uma fração do caudal médio de águas residuais. Sendo essa fração, pode escrever-se a equação (4.2). ( ) (4.2) A equação (4.2) tem duas incógnitas ( e ), pelo que é necessário encontrar pelo menos mais uma equação para obter um valor para a fração de infiltração. Pode ser usado o conceito de caudal de ponta ( ), correspondente ao máximo caudal registado em tempo seco, e descrito pela equação (4.3), onde é o fator de ponta máximo. ( ) (4.3) O fator de ponta é influenciado pelo consumo de água, pelo número de ligações e de habitantes servidos, e pelo tempo de permanência dos efluentes na rede de drenagem (Sousa s.d.). O fator de ponta doméstico instantâneo poderia ser calculado através da razão entre o caudal máximo e o caudal médio de águas residuais domésticas. No entanto, o caudal total que circula na rede (e que pode ser medido através de caudalímetros ou sondas) não é constituído apenas por águas residuais domésticas, incluindo também infiltrações e efluentes industriais. Assim, é apenas possível obter um 34

59 fator de ponta instantâneo aparente. Na ausência de dados de caudal que não incluam uma parcela de infiltração, e segundo o Decreto Regulamentar 23/95 (1995), artigo 125.º, o fator de ponta pode ser estimado pela equação (4.4), em que é a população que gera os caudais afluentes à rede de drenagem. (4.4) A partir das equações (4.2) e (4.3) é possível calcular o valor de e e, consequentemente, obter uma estimativa para a infiltração. No entanto, a análise da infiltração deve considerar também o caudal mínimo, pelo que se adiciona uma terceira condição, representada pela equação (4.5). Esta é semelhante à equação (4.3), ao considerar que o caudal mínimo diário é também composto por duas frações: uma relativa a águas residuais e outra à infiltração. ( ) (4.5) Na equação (4.5), é o caudal mínimo registado em tempo seco e é o fator de ponta mínimo. Este último parâmetro é muito difícil de estimar, não existindo sequer expressões empíricas que permitam calculá-lo, como acontece no caso do fator de ponta máximo. Assim, é necessário assumir um valor para, que deve ser crescente consoante a importância que a fração de água residual tem nos caudais mínimos, comparativamente com a infiltração. As equações (4.2), (4.3) e (4.5) formam um sistema de três equações e três incógnitas (4.6), que teoricamente permite o cálculo da taxa de infiltração numa dada rede de drenagem. ( ) ( ) ( ) (4.6) Na prática, a equação (4.4) é muito pouco rigorosa e o processo de cálculo descrito até este parágrafo pode levar a soluções fisicamente impossíveis (como aconteceu no caso de estudo desta dissertação, apresentado no Capítulo 6). A infiltração pode ser estimada com base na análise dos mínimos, em alternativa ao sistema (4.6). Se for considerado que no instante em que o caudal é mínimo não há qualquer contribuição de caudal doméstico, e que o caudal de infiltração é constante ao longo do dia, então o caudal mínimo corresponde ao valor máximo da infiltração. O fator de ponta doméstico mínimo é, nesse caso, nulo. Se em vez disso, for considerado um dado valor de, o caudal médio de infiltração ao longo do período analisado,, pode ser calculado aplicando a equação (4.7). Na ausência de outros dados, sugere-se que se adote um fator de ponta mínimo de 0.10 (ENGIDRO e HIDRA 2007b). (4.7) 35

60 Relembre-se que na equação (4.7), e correspondem, respetivamente, ao caudal mínimo total e caudal médio total, registados na secção (ou secções) em estudo ao longo do período em análise. Para aplicar o modelo de nível I a uma determinada secção da rede de drenagem, recomenda-se a análise de registos de caudal em intervalos de 15 minutos, nessa secção e em dias de tempo seco, num período mínimo de 6 meses. O período deve abranger as duas principais estações, Verão e Inverno, de forma a considerar a variação sazonal da posição do nível freático (mais elevado no Inverno do que no Verão, devido aos períodos mais regulares e intensos de chuva). Por fim, salienta-se que o maior problema do modelo de nível I é que se torna impossível estimar o caudal de infiltração sem assumir, a priori, um valor para o fator de ponta doméstico mínimo, o que torna muito pouco rigorosa a estimativa da infiltração. Acresce ainda o problema da estimativa da infiltração obtida por este nível não ser conservativa, uma vez que se analisam apenas caudais em dias de tempo seco Modelo de nível II Notas iniciais O método de quantificação de infiltração atrás descrito pode ser combinado com uma abordagem que permita distinguir as duas componentes do caudal total (residual e infiltração), através da análise das propriedades químicas da água. Este tipo de abordagem dispensa a aplicação da equação (4.7) e leva a uma melhoria significativa da precisão dos resultados obtidos. No Capítulo 3 referem-se alguns métodos que permitem a diferenciação das frações do caudal, nomeadamente métodos químicos baseados na análise da diluição de poluentes ou da razão isotópica. Neste nível pretende-se aliar um método químico à análise de caudais mínimos, de forma a aumentar o rigor na estimativa da infiltração. Assim, propõe-se a análise das razões isotópicas e a aplicação do método proposto por De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b), e em parte descrito no subcapítulo Antes de prosseguir para a descrição da metodologia, poderá ser interessante explicar porque é que não se considerou a utilização de outro método químico, como o método das séries temporais de cargas poluentes, baseado na análise da diluição da CQO. Tal como referido no subcapítulo , a estimativa da infiltração pode ser feita através da análise da concentração de CQO nas águas que circulam na rede de drenagem. É comum admitir que, quanto mais baixo for o valor da CQO, maior será a fração do caudal mínimo correspondente à infiltração. No entanto, esta abordagem é questionável: nem todas as contribuições para a água residual doméstica têm de ter um alto teor em matéria orgânica. No período noturno, por exemplo, podem existir descargas de máquinas de lavar em volume superior ao das descargas de retretes, levando a uma diluição considerável do esgoto doméstico. Consequentemente, os valores mínimos diários de CQO não são apenas causados pela 36

61 infiltração. O mesmo problema não se coloca para a razão isotópica, que funciona como um código único e invariável, característico de cada tipo de água. Refira-se ainda que se pensou na hipótese de propor uma metodologia que aliasse o método dos isótopos à análise da concentração de CQO, através da calibração de um padrão CQO-infiltração. De forma a colmatar o problema da análise da CQO acima referido, podia ser construído um padrão que relacionasse valores de CQO com as taxas de infiltração obtidas através da aplicação do método dos isótopos. Para isso, era preciso medir, simultaneamente, a concentração de CQO e as razões isotópicas durante um período de uma semana, por exemplo. Uma vez definido o padrão, sempre que se pretendesse estimar a infiltração numa dada secção, bastaria analisar registos de CQO. No entanto, os resultados práticos apresentados no Capítulo 6 mostraram que, no caso de estudo desta dissertação, não se observou nenhuma relação entre os valores de CQO e a taxa de infiltração obtida pela aplicação do método dos isótopos Descrição do modelo Para além dos registos contínuos de caudal (utilizados no nível I), a aplicação do modelo de nível II requer a recolha de amostras e a análise laboratorial da razão isotópica em águas de três origens diferentes: freática, potável e residual total (água que circula na rede de drenagem). Nem todos os casos de estudo podem progredir do nível I para o nível II, uma vez que a aplicabilidade do método dos isótopos depende de diversos fatores, entre os quais se destacam as características hidrológicas da bacia. Existe assim uma série de condições que têm de ser analisadas e verificadas antes de prosseguir para a aplicação prática desta metodologia, conforme se descreve nos próximos parágrafos. O primeiro critério que tem de ser verificado é que a água potável não tenha origem no mesmo sistema de aquíferos que a água subterrânea. Caso contrário, a razão isotópica das duas origens de água será igual (ou muito semelhante), o que impede a aplicação da equação (4.9), apresentada mais à frente. Ficam assim excluídas as bacias de drenagem em que exista exploração da água subterrânea local para abastecimento e consumo da população. Depois, é importante verificar se existem diferentes origens de água potável, problema que se coloca com especial relevância no caso de bacias com grandes dimensões, ou intersectadas por regiões administrativas diferentes. Analogamente, deve ser feito um levantamento das características hidrogeológicas e dos sistemas de aquíferos locais, no sentido de perceber se existem águas subterrâneas com diferentes propriedades químicas (e diferentes razões isotópicas). Uma vez que o acesso a dados fidedignos e espacialmente bem definidos pode ser difícil em muitas situações, aconselha-se a realização de uma pré-campanha em que sejam recolhidas amostras de águas potáveis e freáticas, em diferentes pontos da bacia. Os resultados da análise da razão isotópica das referidas amostras permitem identificar diferentes origens de águas freáticas e potáveis, e ajudam a ter uma atitude critica em relação à aplicação do método dos isótopos, a priori. Se os valores da razão isotópica das fontes de água potável forem muito próximos dos das águas freáticas (mesmo 37

62 não sendo iguais), a aplicação do método dos isótopos torna-se mais sensível e os resultados poderão ser menos rigorosos. Pode ainda ser interessante recolher-se, na pré-campanha, amostras para análise da concentração de CQO em águas freáticas, de forma a verificar se elas estão contaminadas com matéria orgânica. Os locais em que houver contaminação devem ser excluídos do estudo, sendo substituídos por outros. Este procedimento é particularmente importante em casos onde se desconfie que existam descargas de esgoto para cursos de água naturais subterrâneos e canalizados. Uma vez verificadas as várias condições de aplicabilidade acima referidas, e antes de partir para a aplicação prática do nível II, deve ser feito um planeamento cuidado do trabalho e das campanhas de recolha de amostras. O planeamento deve considerar e definir os quatro pontos seguintes: 1) Origens de água que possam afluir ao sistema de drenagem; 2) Número de pontos de recolha de amostras; 3) Localização e distribuição espacial desses pontos; 4) Facilidade de acesso aos pontos de medição. Na fase de planeamento das campanhas pode ser elaborado um mapa semelhante ao representado na Figura 4.2 (referente a um caso de estudo na bacia de Yzeron, em França), onde se incluem as informações dos primeiros três pontos mencionados acima. Figura 4.2: Mapa com a identificação dos locais de recolha de amostras para medição da análise isotópica, elaborado para a bacia de Yzeron (França). Adaptada de De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004a). Relativamente ao ponto 4, há várias questões que devem ser consideradas. A recolha de água potável pode ser feita em torneiras de domicílios ou de espaços comerciais, ou até mesmo em bebedouros ou fontes de água localizadas em espaços públicos. O acesso a águas freáticas e residuais pode não ser tão simples. Para o primeiro caso, é útil ter acesso a cadastros de poços e minas de água, no caso de não existirem cursos de água superficiais acessíveis ou com as 38

63 características pretendidas. Relativamente ao acesso às águas residuais, é importante analisar a planta da rede de drenagem e identificar as caixas de visita mais próximas das secções que se pretendem estudar. Em ambos os casos é conveniente fazer uma visita aos locais pretendidos, antes de proceder à recolha de amostras, de modo a perceber as condições de acesso e segurança. No Anexo IV apresenta-se, como exemplo, o documento usado no planeamento da campanha apresentada no Capítulo 6. Antes de prosseguir para a aplicação prática da metodologia, é necessário definir a duração das campanhas. Nesta dissertação, sugere-se a análise de 3 a 7 dias de tempo seco, em duas campanhas anuais: uma realizada no período de Verão e outra no período de Inverno. Tal como se referiu para o nível I, esta separação é importante para que se tenha em consideração a variação sazonal do nível freático. Refira-se ainda que a classificação das estações depende da localização da bacia e do regime típico anual de precipitação da região. No caso particular de Portugal, o ideal seria realizar uma campanha entre Julho e Agosto (época seca) e outra em Janeiro ou Fevereiro (época húmida). Idealmente as recolhas devem ser horárias (para que sejam captadas as variações ao longo do dia), como aconteceu em Lyon, no caso estudado por De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b). Se tal não for possível, as medições devem concentrar-se preferencialmente no período noturno, quando se regista o caudal mínimo. A realização das campanhas exige um conjunto de recursos humanos e materiais. As condições de acessibilidade de cada local definem o número de pessoas necessário. Nos pontos de recolha de água potável poderá bastar estar uma pessoa, mas nos locais de recolha de águas residuais e freáticas é aconselhável que estejam duas pessoas, no mínimo. Nestes dois casos é comum ser necessário levantar tampas de câmaras de visita, e descer até ao Caneiro, no caso das amostras recolhidas na rede de drenagem. Os recursos materiais podem dividir-se em duas categorias: os que são inerentes à recolha de amostras para análise da razão isotópica, e os que são auxiliares. No primeiro caso incluem-se filtros, seringas e tubos e no segundo baldes, copos, e instrumentos de ajuda à remoção das tampas, por exemplo. Uma vez que as amostras têm de ser armazenadas a uma baixa temperatura, é ainda fundamental incluir uma geleira no material necessário. No planeamento apresentado no Anexo IV listam-se os materiais usados para o caso de estudo do Caneiro de Alcântara. No mesmo anexo especificam-se os cuidados que são exigidos no processo de recolha de amostras para análise da razão isotópica. Por exemplo, refere-se que devem ser recolhidos volumes pequenos de água, filtrados in situ e armazenados em tubos de vidro ou de Eppendorf, completamente cheios (para evitar contacto com a atmosfera), e mantidos a uma temperatura de aproximadamente 4 ºC, até serem levados para o laboratório. Depois de recolhidas as amostras, segue-se a análise em laboratório da razão das diferentes amostras. Os resultados obtidos permitem distinguir a contribuição das águas residuais domésticas e da infiltração para o caudal total. Volta-se a referir que o valor de medido em amostras de águas freáticas serve como valor de referência para a componente de infiltração, δ inf, e o medido em 39

64 amostras de água potável serve como valor de referência para a componente de águas residuais, δ AR. Estes dois parâmetros condicionam o valor de da água residual total (δ T ). Conhecendo, para um dado instante, o caudal total de uma dada secção e as razões isotópicas δ inf, δ AR e δ T, é possível estimar o caudal infiltrado através de uma equação de conservação de massa, (4.8). (4.8) A fração de infiltração ( ) 8 pode ser deduzida da equação (4.8) e apresentar-se como se mostra em (4.9). Depois de calculado, basta multiplicar esse valor pelo caudal total registado na secção em estudo (no mesmo instante em que foi recolhida a amostra), para obter o caudal de infiltração. (4.9) Para que se possam tirar conclusões fidedignas relativas à infiltração, é imperativo fazer uma estimativa da incerteza. Em De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b) apresentam-se equações simplificadas para o cálculo da incerteza da fração de infiltração e do caudal infiltrado, (4.10) e (4.11), respetivamente. (4.10) (4.11) Nas equações acima, a única variável que não foi anteriormente mencionada é a incerteza da análise de em laboratório ( ), que se pode admitir próxima de Se a incerteza relativa for superior a 1, não é razoável aplicar o método dos isótopos (De Bénédittis e Bertrand-Krajewski 2004b). Nesta dissertação sugere-se que seja adotado este critério. Entenda-se, por isso, que a viabilidade da aplicação da metodologia de nível II só fica comprovada depois de se calcularem os valores da fração de infiltração e da sua incerteza. Refira-se ainda que, caso se pretenda um estudo mais rigoroso, deve-se considerar a variação espacial dos valores de referência δ inf e δ AR no cálculo na incerteza. A desvantagem desta abordagem é que as infiltrações obtidas se referem apenas a um instante e a uma secção. Apesar de poder haver um grande rigor na estimativa obtida, só se conhece a infiltração correspondente ao caudal que atravessou uma dada secção num determinado momento do passado. Não é possível, através da aplicação do nível II, prever o caudal de infiltração numa situação futura ou numa secção diferente da rede de drenagem. Pode fazer-se uma aproximação, e assumir que a média dos caudais de infiltração obtidos na campanha de Verão se estendem à restante estação, e 8 Esta fração não é igual à apresentada no nível I: k refere-se à fração de infiltração no caudal de águas residuais, e b à fração de infiltração no caudal total 40

65 aplicar o mesmo raciocínio para o Inverno. No entanto, esta nunca será uma aproximação rigorosa e fidedigna, podendo apenas ser usada a título indicativo Sistema de modelos de nível III Considerações iniciais Neste subcapítulo apresenta-se o nível III, o mais complexo e exigente da abordagem metodológica proposta, e que envolve a criação de um sistema de modelos de simulação. No subcapítulo 3.4 já foram referidas alguns dos fundamentos base deste tipo de modelos, e foram ainda referidos alguns exemplos. Sabe-se que o fenómeno de infiltração de águas subterrâneas em redes de drenagem é potenciado pela diferença de carga hidráulica entre o nível freático e o nível de água no interior dos coletores. Este princípio não foi considerado nos dois níveis anteriores, tendo sido apenas analisados os caudais e as características das águas que circulam na rede. Um modelo de infiltração na rede de drenagem (descrito no subcapítulo 4.4.2), devidamente construído e calibrado, permite simular a interação entre o ciclo hidrológico natural da bacia e o sistema de drenagem e, com base nessa interação, estimar a infiltração num dado instante e para uma dada secção. No entanto, este modelo só pode ser aplicado se forem conhecidos, para cada secção ou para cada trecho, o nível de água no coletor e a altura piezométrica do aquífero. Assim, o sistema de modelos de nível III deve incluir a integração de quatro submodelos, apresentados no Quadro 4.1, e que alimentam progressivamente o modelo de infiltração na rede de drenagem. Quadro 4.1: Classificação e descrição da função de cada submodelo de nível III. Nome Submodelo hidrológico Submodelo de afluências em tempo seco Submodelo hidráulico do sistema de drenagem Submodelo do aquífero Função Estimar o caudal de escoamento superficial e o caudal que infiltra no solo, para a bacia de drenagem em estudo. Estimar o caudal doméstico e industrial que aflui ao sistema de drenagem. Estimar a altura de água no interior dos coletores da rede de drenagem. Estimar a altura piezométrica do aquífero (posição do nível freático). Os parâmetros de entrada (inputs) de cada submodelo, assim como as suas características e princípios base, são descritos nos subcapítulos a Na Figura 4.3 representa-se esquematicamente o sistema de modelos pretendido no nível III e a forma como eles se interligam. A leitura do restante capítulo permitirá uma melhor compreensão desta figura. 41

66 Submodelo hidrológico Caudal de escoamento superficial Caudal de águas residuais Submodelo de afluências em tempo seco Caudal de escoamento subterrâneo Submodelo hidráulico do sistema de drenagem Submodelo do aquífero Altura de água nos coletores Iteração Altura piezométrica do aquífero Modelo de infiltração na rede de drenagem Caudal de infiltração Figura 4.3: Representação esquemática do modelo de simulação (nível III) Modelo de infiltração na rede de drenagem O modelo de infiltração na rede de drenagem segue um princípio base muito simples, que se divide em duas fases. Primeiramente, o modelo deve avaliar o potencial de ocorrência de infiltração com base na posição relativa do nível freático e da altura de água na rede de drenagem (Figura 4.4). Figura 4.4: Representação simplificada de um caso em que ocorre infiltração (à esquerda) e outro em que ocorre exfiltração (à direita). Num determinado troço, se o nível freático apresentar uma cota superior à altura de água no coletor, a diferença de pressão hidrostática pode levar à entrada de água no mesmo (ou seja, é possível haver infiltração). Se, por outro lado, a pressão for maior no interior do coletor, a água tende a sair e potencia-se o fenómeno de exfiltração (que não é analisado nesta dissertação). 42

67 Caso a diferença de alturas confirme a possibilidade de infiltração, o modelo deve prosseguir para a segunda fase, na qual devem ser considerados os restantes fatores que influenciam a entrada de água no coletor. A posição do nível freático não é o único fator que determina a ocorrência ou não de infiltração. Por exemplo, no caso hipotético de um troço de tubagem ter características estruturais perfeitamente estanques, não haverá infiltração, mesmo que a diferença de pressões atue nesse sentido. Características como o material das paredes dos coletores, a sua idade e o seu estado de conservação são determinantes neste processo e devem por isso ser consideradas pelo modelo de infiltração na rede de drenagem. O caudal infiltrado depende da diferença de alturas entre o nível freático e o nível de água no coletor ( ), da área de infiltração ( ) e de um coeficiente de infiltração (ou exfiltração),, que descreva a influência dos restantes fatores que condicionam a infiltração (sendo o estado estrutural dos coletores o mais relevante). O modelo de infiltração na rede de drenagem deve então estimar o caudal de infiltração através da equação (4.12), baseada no mesmo princípio físico que lei de Darcy. (4.12) A infiltração pode ser estudada a diferentes escalas espaciais, podendo a equação (4.12) ser aplicada secção a secção, trecho a trecho ou diretamente a toda a bacia de drenagem. No primeiro caso, ilustrado na Figura 4.5 para uma dada secção 1, deve ser considerado o perímetro da secção molhado pela água subterrânea ( ) em vez da área, na equação (4.12). É difícil quantificar um coeficiente de infiltração à escala da secção, uma vez que isso implica um nível de detalhe muito grande no conhecimento das condições do sistema. A análise à escala da secção deve restringir-se a zonas de juntas entre coletores, por exemplo, onde se espera que o coeficiente de infiltração seja superior ao dos troços contíguos (Figura 4.6). Figura 4.5: Corte transversal de uma secção da tubagem onde pode ocorrer infiltração. Figura 4.6: Infiltração numa junta entre coletores [ Na maioria das situações, a decisão mais adequada será proceder a uma análise troço a troço, que não só é mais concretizável do que a análise secção a secção, como pode ainda facilitar a estimativa do coeficiente. Se forem considerados trechos com as mesmas características estruturais, ou 43

68 seja, com a mesma idade ou estado de conservação, o coeficiente de infiltração poderá ser mais uniforme, conduzindo a resultados mais rigorosos. A aplicação do modelo de infiltração trecho a trecho permite obter o caudal de infiltração ao longo de um determinado comprimento da tubagem,. A Figura 4.7 ilustra, muito simplificadamente, o cenário que se pretende simular e os parâmetros que devem ser usados na equação (4.12). Figura 4.7: Corte longitudinal de um troço de tubagem onde pode ocorrer infiltração. As secções S1 e S2 são semelhantes ao representado na imagem anterior. Na Figura 4.7 toda a tubagem está submersa no aquífero, pelo que a área de infiltração corresponderá a toda a área exterior do coletor. No caso do trecho compreendido entre as secções S2 e S3, o valor de corresponde ao produto entre o comprimento e o perímetro molhado da secção média (semelhante ao apresentado na Figura 4.5). No mesmo troço, é a diferença média de pressões hidrostáticas ao longo do comprimento, que pode ser dada pela média da diferença de níveis nas secções extremas ( e ). As condições estruturais do trecho 2-3 devem ser refletidas no valor do coeficiente de infiltração. Naturalmente, quanto mais danificadas estiverem as paredes desse trecho do coletor, maior será o coeficiente e maior o caudal infiltrado ao longo do comprimento. Para além de permitir conhecer, com algum detalhe, os caudais infiltrados nas diferentes zonas da rede, a análise trecho a trecho é bastante apropriada em situações em que se pretenda conhecer a infiltração num coletor específico. Por exemplo, pode ser especialmente útil em casos onde existam danos estruturais significativos ou quando se pretenda analisar coletores que estejam totalmente submersos no aquífero local. 44

69 O rigor da análise trecho a trecho depende da escala estudada: quanto maior o comprimento dos trechos analisados, menor o rigor dos resultados obtidos. É importante salientar que esta relação não se estende até ao nível da secção, que deve apenas ser aplicado em situações especiais (devido à elevada dificuldade em estimar o coeficiente de infiltração para cada secção da rede). Se o modelo de infiltração na rede for aplicado à escala da bacia de drenagem, os resultados serão menos precisos do que os obtidos através de uma análise secção a secção, trecho a trecho, ou mista. No entanto, em situações em que o investimento disponível seja reduzido, quando se pretenda apenas uma estimativa bruta da infiltração total no sistema, ou em bacias demasiado complexas, pode-se reduzir todo o sistema de drenagem a um coletor principal e modelá-lo através do nível III. Por outras palavras, descrever o sistema de drenagem e as condições naturais da bacia em duas dimensões (num perfil longitudinal), criando um trecho fictício no qual circula o caudal afluente à ETAR. Naturalmente, esta é uma simplificação muito bruta e que não garante resultados fiáveis. Para que o modelo de simulação da infiltração na rede de drenagem funcione corretamente, é preciso ter um valor de calibrado e adequado à bacia em estudo. Em estudos anteriores, esse processo baseou-se na análise detalhada das condições de cada troço do sistema de drenagem. Nesta dissertação propõe-se uma alternativa inovadora: calibrar o modelo de simulação (e o coeficiente de infiltração,, em particular) através dos resultados obtidos no modelo de nível II, baseado no método dos isótopos. Paralelemente à construção do modelo de simulação, devem realizar-se campanhas de recolha de amostras e análise de razões isotópicas nas secções de interesse. O número de secções analisadas depende, mais uma vez, do investimento disponível e do nível de rigor que se pretende. Quanto maior for, melhor deverá ser a qualidade de calibração do modelo. Correndo o modelo com o caudal de infiltração obtido pelo método dos isótopos e aplicando, implicitamente, a equação (4.12), obtém-se um valor para o coeficiente de infiltração em cada troço de tubagem. Esta metodologia garante um nível de rigor elevado e torna desnecessário o levantamento de dados das tubagens (o que pode, em alguns sistemas de drenagem, implicar um investimento elevado e ser pouco exequível). Adicionalmente, o fator assim obtido considera, para além das condições da tubagem, outros fenómenos associados à infiltração, que podem inclusivamente ser ainda desconhecidos Submodelo hidrológico O objetivo do submodelo hidrológico é estimar o escoamento superficial e o escoamento subterrâneo originados por um dado evento de precipitação, e com esses dados alimentar os modelos hidráulico e do aquífero, respetivamente (Figura 4.3). Após um evento de precipitação, a água pode ser intercetada pela vegetação, ficar retida na cobertura de edifícios, ou cair diretamente no solo. Considerando que as primeiras parcelas não são significativas, pode-se admitir que praticamente toda a água precipitada atinge o solo. Depois, esta pode evaporar, dar origem a um escoamento superficial ou infiltrar no solo. O ciclo descrito pode ser traduzido de forma pouco rigorosa por um balanço de massa simples, como mostra a equação (4.13), onde é a precipitação, a evaporação/evapotranspiração, o escoamento superficial e a infiltração. 45

70 (4.13) A precipitação diária é um dos inputs do submodelo hidrológico, pelo que é preciso existirem udómetros no interior e na vizinhança da bacia em estudo. Uma vez que os valores são referentes apenas a um ponto, pode recorrer-se ao método de Thiessen (ou a outro semelhante) para conseguir uma distribuição espacial adequada da precipitação. Outro input do modelo é a evapotranspiração na bacia, que pode ser medida diretamente com evaporímetros ou calculada através de fórmulas empíricas, como a de Thornthwaite. Em ambos os casos devem ser obtidos, no mínimo, dois valores de evapotranspiração na bacia por ano: um que caracterize os dias típicos de Inverno (tempo de chuva) e outro que caracterize os dias de Verão (tempo seco). Para algumas bacias podem existir valores de evapotranspiração disponíveis na bibliografia. As parcelas relativas à infiltração e ao escoamento superficial podem ser calculadas de forma independente, recorrendo a modelos conceptuais. O escoamento superficial pode ser calculado, por exemplo, com base no método racional. Refere-se este método porque é o habitualmente usado no dimensionamento de coletores de sistemas de drenagens pluviais em Portugal, mas existem outros semelhantes e mais sofisticados. Nesta fase, a infiltração deve ser analisada a nível da capacidade de infiltração no solo, uma vez que a percolação da água em profundidade será depois descrita pelo modelo de aquíferos. A capacidade de infiltração, definida como a taxa máxima a que um solo é capaz de absorver água (geralmente expressa em mm/h), varia com o tempo: é máxima no início do evento de precipitação e vai decrescendo com o passar do tempo até atingir um valor aproximadamente constante, quando o solo fica saturado. Podem ser usadas diversos métodos, como o método de Horton, método do índice Φ, o do Soil Conservation Service ou outros semelhantes. Todos eles requerem que o modelo tenha uma base de dados, geograficamente distribuídos ao longo da bacia, relativos ao tipo de solo, uso do solo, nível de compactação, entre outras características. Para que o submodelo hidrológico funcione corretamente é necessário que se verifique a condição (4.13), o que dificilmente será garantido se os quatro parâmetros forem obtidos de forma independente. Assim, o modelo deve atuar de forma integrada, simulando o ciclo hidrológico natural e as devidas alterações causadas pela presença humana, nomeadamente a nível do uso do solo. Relativamente ao escoamento superficial, refira-se ainda que se devem considerar duas parcelas: uma que aflui à rede de drenagem (através dos sumidouros ou sarjetas) e outra que nunca a atinge (por ficar retida ou por escorrer diretamente para cursos de água superficiais). A primeira parcela é a única que interessa a esta análise, e será inclusivamente um dos inputs do submodelo hidráulico do sistema de drenagem. De forma a contemplar esta situação, o modelo deve incluir um fator de perdas, que deve depender das características da bacia natural e da rede de drenagem. Na Figura 4.8 apresenta-se uma representação esquemática do funcionamento do submodelo hidrológico, especificando-se os inputs, a base de dados do modelo e os resultados dele obtidos. 46

71 Precipitação diária Evapotranspiração Características naturais do solo (geologia, nível de compactação) Uso do solo (áreas permeáveis e impermeáveis) Caudal de escoamento superficial Caudal de escoamento subterrâneo Figura 4.8: Representação esquemática do submodelo hidrológico (inputs, base de dados e outputs). A criação de um submodelo hidrológico não é inovadora, sendo que existem no mercado várias opções de softwares que podem ser aplicados para esse fim, como por exemplo o MIKE SHE (referido no subcapítulo 3.4) Submodelo de afluências em tempo seco Com o submodelo de afluências em tempo seco (Figura 4.9) pretende-se estimar os caudais de águas residuais domésticas e industriais afluentes ao sistema de drenagem, em tempo seco. Para tal, é preciso analisar séries de caudais medidos em vários pontos da rede e definir um padrão diário de consumo. O modelo deve considerar o tipo de aglomerado e as consequentes variações horárias das descargas (no caso de zonas dormitório, por exemplo, as descargas domésticas são superiores no horário não laboral). Também há variações sazonais significativas, nomeadamente no período de férias ou até mesmo nos fins de semana. Devem ainda ser contabilizadas descargas regulares de outras origens, com origem na drenagem de caves ou em efluentes de linhas de água canalizadas (como acontece no caso de estudo de Alcântara, com o aqueduto de Belas). Pode ainda ser considerada uma margem para possíveis descargas industriais não licenciadas. Número de sub-bacias Padrão típico de descargas residuais domésticas, por sub-bacia. Padrão típico de descargas industriais, por sub-bacia. Limites das sub-bacias Caudal de águas residuais (domésticas e industriais) Descargas acrescidas Figura 4.9: Representação esquemática do submodelo de afluências em tempo seco (inputs, base de dados e outputs). Propõe-se a divisão da bacia em diferentes unidades contributivas (ou sub-bacias), cada uma correspondente a uma secção do sistema de drenagem. Quanto maior for o nível de rigor pretendido, maior o número de unidades. Para uma abordagem mais simples pode considerar-se a bacia como uma única unidade contribuinte e estimar-se o caudal afluente à secção da rede localizada mais a 47

72 jusante. Caso se queira estimar o caudal em mais secções, devem ser definidas as sub-bacias correspondentes a cada secção, cada uma com características de população e indústria diferentes. À medida que aumenta o número de secções em análise, o grau de complexidade e exigência de dados é superior (por exemplo, é preciso ter a estimativa da população contribuinte de cada sub-bacia), mas os resultados também vão sendo progressivamente mais rigorosos Submodelo hidráulico do sistema de drenagem Para a construção do submodelo hidráulico do sistema de drenagem deve dispor-se de informação relativa à rede de drenagem, nomeadamente: Geometria do sistema de drenagem: planta, perfis longitudinais (comprimento dos trainéis, declives, etc.) e transversais (diâmetro e forma da tubagem). Cota de soleira dos coletores. Condições estruturais do sistema de drenagem (idade, materiais e nível de conservação). Deve ser dada particular atenção aos elementos de junta das tubagens e às câmaras de visita, uma vez que são ambos pontos muito suscetíveis à entrada de águas subterrâneas. Cruzando os caudais fornecidos pelos submodelos hidrológico e de afluências em tempo seco com os dados geométricos das tubagens (nomeadamente o diâmetro), o modelo hidráulico deve calcular a altura de água em cada secção. Nas secções em que não existam registos de caudal ou da geometria das tubagens, a altura de água deve ser interpolada. A altura de água calculada pelo modelo descrito é inferior à altura real na tubagem, porque não inclui a infiltração. Este problema pode ser corrigido de duas formas: 1) Faz-se uma análise em cadeia, de montante para jusante, e considera-se que a altura de infiltração num troço é igual à soma do caudal infiltrado em todos os troços a montante. No ponto inicial (mais a montante), a infiltração pode ser considerada nula ou ter um valor predefinido, consoante a informação disponível. 2) O modelo hidráulico do sistema arbitra um valor para o caudal infiltrado que será posteriormente corrigido, de forma iterativa, pelo modelo global de simulação. Por outras palavras, o modelo corre até que o caudal infiltrado final, fornecido pelo modelo de infiltração do sistema, seja igual ao arbitrado. Apesar de as duas alternativas serem viáveis, sugere-se a aplicação da segunda hipótese, uma vez que a primeira pode ser mais complexa, principalmente em casos onde haja, num dado ponto, intersecção de troços de diferentes tipos de sistemas (separativos e unitários). A representação esquemática do submodelo hidráulico do sistema de drenagem apresenta-se na Figura

73 Caudal de infiltração Caudal de águas residuais Caudal de escoamento superficial Geometria do sistema Cota de soleira das tubagens Condições estruturais do sistema Altura de água nos coletores Figura 4.10: Representação esquemática do submodelo hidráulico do sistema de drenagem (inputs, base de dados e outputs) Submodelo do aquífero O objetivo do submodelo do aquífero (Figura 4.11) é simular de forma quantitativa o comportamento hidrogeológico da bacia, nomeadamente a posição do nível freático num dado instante e local. Para isso são precisos os dados do submodelo hidrológico, relativos à parcela de volume infiltrado após um evento de precipitação. A modelação física do processo de infiltração pode ser feita através da lei de Darcy, por exemplo: para um dado comprimento unitário (com a mesma direção que o fluxo), o caudal infiltrado é função da diferença de pressões nesse comprimento e da condutividade hidráulica do solo. Exige-se assim que o modelo tenha uma base de dados (com alguma definição espacial) que inclua informação relativa ao tipo de formações, a sua condutividade hidráulica e a espessura das camadas. Devem ainda ser incluídas as linhas de água e os cursos de água superficiais naturais da bacia, que também influenciam o fluxo de águas subterrâneas. Caudal de escoamento subterrâneo Características do solo: tipo de formação, profundidade das camadas e condutividade hidráulica Localização de cursos de água subterrâneos Altura piezométrica do aquífero Calibração: medição de altura piezométrica em poços Figura 4.11: Representação esquemática do submodelo do aquífero (inputs, base de dados e outputs). Caso se pretendam soluções mais elaboradas, o submodelo do aquífero deverá ter em conta a própria influência do sistema de drenagem na posição do nível freático, o que implicaria haver uma relação bidirecional entre o modelo hidráulico e o submodelo do aquífero. 49

74 Contrariamente aos modelos descritos até agora, cuja calibração pode ser complicada, o submodelo do aquífero pode ser calibrado de forma independente do modelo global. Para isso, basta medir a altura piezométrica em vários poços ou até mesmo nos cursos de água naturais localizados na bacia Considerações finais Antes de terminar o presente capítulo é importante resumir todos os níveis de modelos apresentados, de forma a clarificar a abordagem metodológica proposta. Como se percebeu da leitura dos subcapítulos anteriores, os três níveis apresentam uma ordem crescente de disponibilidade e acesso a dados e precisão de resultados. Comparativamente com as metodologias propostas nos níveis I e II, a de nível III tem a grande vantagem de permitir uma janela de resolução espacial e temporal muito maior, sendo possível simular situações futuras. Alimentando o modelo de infiltração na rede de drenagem com os inputs necessários, ele consegue dar resposta a questões pertinentes, como: Qual a resposta do sistema de drenagem à variação do nível freático, e qual o tempo de resposta do sistema; Qual o traçado em planta e a profundidade a que devem ser implementadas as tubagens, de forma a evitar infiltrações; Quais os aspetos de projeto mais prejudiciais e que devem ser evitados (localização de câmaras de visita, etc.); Qual o impacto de uma dada alteração do sistema de drenagem (ações de conservação de tubagens, alteração do traçado em planta, entre outros) no caudal de infiltração. Importa referir que a construção de um modelo de simulação semelhante ao descrito não exige necessariamente o recurso a diferentes softwares para modelar cada componente, podendo dispor-se de um único sistema integrado de modelação como, por exemplo, o software integrado MIKE 2012, da DHI. Relativamente ao modelo de nível III, volta-se a mencionar que, se no submodelo hidráulico do sistema de drenagem for arbitrado um valor para o caudal de infiltração, o modelo de simulação deve levar a cabo várias iterações até que o caudal infiltrado obtido pela equação (4.12) seja igual ao arbitrado. Por fim, conclui-se este capítulo apresentando, na Figura 4.12, um resumo dos principais dados necessários à aplicação de cada nível, assim como os materiais necessários à sua recolha. 50

75 Dados [Equipamento fixo] Registos contínuos de caudal [Caudalímetro: um por cada secção analisada] Níveis I II III Registos de precipitação diária total [Udómetro: no mínimo um no interior da bacia] Caudal de águas residuais em tempo seco (dados de população ou fator de ponta mínimo) Razões isotópicas (águas freáticas, potáveis e residuais totais) Dados físicos, geológicos, hidrológicos e hidrogeológicos da bacia de drenagem Características do sistema de drenagem (planta, secções transversais, perfis, cotas, localização dos diversos constituintes, materiais, diâmetro das tubagens, entre outros) Evapotranspiração na bacia Figura 4.12: Principais dados e respetivos materiais de recolha necessários à aplicação de cada nível. 51

76 52

77 5. Descrição do caso de estudo do Caneiro de Alcântara 5.1. Enquadramento geral A bacia de drenagem de Alcântara localiza-se no distrito de Lisboa (Portugal) e abrange maioritariamente os municípios de Lisboa e Amadora. Está inserida na zona oeste da bacia hidrográfica do rio Tejo, sendo considerada a maior e mais complexa bacia da região de Lisboa. A principal linha de água desta bacia corresponde à Ribeira de Alcântara, que nasce na Brandoa (Amadora) e se desenvolve ao longo dos vales da Falagueira, Benfica e Alcântara, até descarregar no Rio Tejo. Graças à fertilidade dos terrenos e à sua localização, o vale de Alcântara foi ocupado por diversos povos ao longo da história. Os romanos usaram-no para pastagens e campos de cereais e os árabes plantaram olivais, hortas e criaram campos de criação cavalar. A ocupação rural do vale durou até meados do século XVIII. Depois, o terramoto de 1755 e a posterior revolução industrial levaram ao rápido crescimento urbano da cidade de Lisboa e à consequente densificação da ocupação urbana da bacia. A urbanização causou grandes alterações na rede hidrográfica natural, sendo que quase todas as linhas de água da bacia foram canalizadas. São vários os sistemas de drenagem que se podem identificar na envolvente da região em estudo. No caso concreto do concelho de Lisboa, o sistema de drenagem de águas residuais domésticas encontra-se divido em três sistemas de drenagem principais, designadamente Alcântara, Chelas e Beirolas. O sistema de Alcântara (cujos efluentes são drenados para a ETAR de Alcântara) ocupa uma área de cerca de 3200 ha e divide-se em dois subsistemas (Figura 5.1): Zona Alta, onde todo o caudal de águas residuais tem um escoamento gravítico até à ETAR de Alcântara maioritariamente através do Caneiro de Alcântara; Zona Baixa, onde o caudal afluente à ETAR tem de ser bombeado em instalações elevatórias. A bacia hidrográfica natural de Alcântara não coincide, integralmente, com a bacia da rede de drenagem. No final da década de 70 foi construído um coletor que desviou parte das águas de Alcântara para a zona de Xabregas, pertencente à bacia de Chelas. O desvio foi feito na Av. dos Estados Unidos da América, e teve como objetivo solucionar o problema das inundações nas zonas de Entrecampos e Campo Grande (e também da baixa de Alcântara). Assim, cerca de 25% da área natural da bacia de Alcântara, correspondente à zona do Lumiar e de Campo Grande/Alvalade, pertence à bacia de drenagem de Chelas. Nesta dissertação, a avaliação da infiltração é feita para a Zona Alta do sistema de Alcântara, atrás descrita e ilustrada. Esta ocupa uma área total de aproximadamente 2746 ha e intercepta duas zonas administrativas distintas, cujos limites também se representam na Figura 5.1: Concelho da Amadora e Concelho de Lisboa. O Caneiro de Alcântara, no qual se irá focar a análise da infiltração, corresponde à canalização da Ribeira de Alcântara mencionada anteriormente. 53

78 Figura 5.1: Sistema de Alcântara: Zona Alta e Zona Baixa (que inclui as zonas de Algés-Alcântara e Terreiro do Paço-Alcântara). Retirado de Galvão et al. (2006). A empresa responsável pela recolha, tratamento e rejeição de águas residuais dos municípios de Amadora e de Lisboa é a SIMTEJO (Saneamento Integrado de Municípios do Tejo e Trancão). No entanto, e devido à separação territorial da bacia em dois concelhos, existem duas empresas distintas responsáveis pelo abastecimento e distribuição de água. Em Lisboa, a empresa responsável pela produção, tratamento, abastecimento e distribuição de água é a EPAL (Empresa Portuguesa das Águas Livres). O sistema de abastecimento do concelho de Lisboa é constituído pelas captações de água, estações de tratamento de água (ETA), adutores e toda a rede de distribuição. Distinguem-se três subsistemas no sistema de produção: Alviela, Tejo e Castelo do Bode. A água captada tem origem superficial ou subterrânea, dependendo do subsistema. Estima-se que cerca de 60% do volume de água fornecido a Lisboa seja proveniente do subsistema de Castelo do Bode, sendo captada na albufeira da barragem homónima, elevada e transportada até à estação de tratamento da Asseiceira. No concelho da Amadora são os SMAS (Serviços Municipalizados de Água e Saneamento) de Oeiras e Amadora que garantem a distribuição de água à população residente. É também esta a empresa responsável pela prestação de serviços de saneamento básico no Concelho da Amadora. Tal como no caso de Lisboa, existem vários subsistemas na área em estudo, aqueles que têm maior representatividade são o da Zona Média da Amadora, do Nó da Falagueira e da Atalaia. As origens da água no concelho da Amadora são as mesmas que as do concelho de Lisboa. Importa referir que a água captada em Castelo de Bode e distribuída aos dois concelhos provém do rio Zêzere, o maior afluente do Tejo. Com uma bacia hidrográfica de cerca de 5000 km 2, este rio nasce na serra da Estrela, desenvolve-se numa extensão de aproximadamente 220 km e desagua no Tejo, perto da vila de Constância. Na Figura 5.2 apresenta-se uma infografia que descreve esquematicamente a captação e transporte de água potável para os concelhos de Lisboa e Amadora. 54

79 Figura 5.2: Infografia referente ao sistema de abastecimento de água da EPAL (Jornal Público 2012) Clima e relevo Apesar da Zona Alta abranger dois concelhos distintos, considerou-se que para efeitos deste trabalho era razoável admitir que as condições climáticas são aproximadamente análogas em toda a área em estudo. Assim, analisou-se o clima com base na bibliografia existente e nos valores medidos no posto Geofísico (em Lisboa, mas localizado fora do perímetro da bacia), onde existe um longo registo de séries de dados climáticos. A zona da grande Lisboa apresenta um clima mediterrânico com relativa moderação térmica. O clima da região é muito influenciado por fatores geográficos como a latitude e a proximidade ao Oceano Atlântico. A uma escala local, podem ainda identificar-se como fatores modeladores do clima a topografia acidentada da região e a posição da cidade de Lisboa, à beira do Rio Tejo (Alcoforado 1993). É de referir que vários autores destacam a importância do clima urbano em Lisboa, resultante da modificação das características físicas originais da cidade devido à morfologia urbana. Distinguem-se duas épocas sazonais: um Verão com um clima quente e seco, e um Inverno chuvoso e com temperaturas mais baixas. Segundo o Instituto Português do Mar e Atmosfera (2013), a temperatura média anual ronda os 16.0 ºC, sendo as temperaturas mínimas registadas tipicamente no mês de Janeiro e as máximas em Agosto. No Quadro 5.1 abaixo apresentam-se os valores da temperatura média mensal registada entre 1981 e 2010 (previsto), no Geofísico. Quadro 5.1: Média da temperatura média mensal em Lisboa, medida no Geofísico entre 1981 e 2010 (previsto), Instituto Português do Mar e Atmosfera (2013). Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez T (ºC)

80 Os valores médios anuais de precipitação variam entre 650 mm e 760 mm, verificando-se que a maior parte da precipitação total anual ocorre entre os meses de Outubro e Abril. Os máximos mensais registam-se habitualmente entre Novembro e Fevereiro (rondando os 160 mm) e os mínimos nos meses de Julho e Agosto (cerca de 3 a 7 mm) (Câmara Municipal de Lisboa 2010b). A evapotranspiração real média anual em Lisboa atinge um valor na ordem dos 500 mm e o balanço hidrológico revela que há um excedente de água de cerca de 150 mm entre os meses de Dezembro a Março e um défice de 25 mm, de Junho a Setembro (Oliveira 2010). Os rumos de vento dominantes são de Norte durante a época de Verão, Nordeste no Inverno e Sudoeste, Oeste e Noroeste durante as estações intermédias (Câmara Municipal de Lisboa 2010b). As situações de nevoeiro não são frequentes, ocorrendo apenas ocasionalmente, principalmente nos meses de Dezembro e Janeiro. A taxa de insolação varia ao longo do ano: em Julho, mês típico de Verão, é superior a 0.6 em 90% dos dias; em Janeiro o mesmo valor só é ultrapassado em 45% dos dias (Baltazar 2010). Relativamente ao relevo, não existe uma grande diversidade altimétrica na bacia (Figura 5.3). A maior diferença de cotas ocorre entre os 36 m, na zona da ETAR de Alcântara, e os 276 m, no concelho da Amadora (noroeste) e predominam áreas com altitude inferior a 120 m. A análise do mapa hipsométrico (Figura 5.3) evidencia o vale de Alcântara, que se desenvolve até ao Tejo e ao longo do qual se vão registando as cotas mais baixas da bacia. É ao longo deste vale que se escoa a antiga Ribeira de Alcântara. Apesar de ter uma secção transversal larga a montante, a jusante de Campolide a ribeira está fortemente entalhada. Figura 5.3: Modelo digital de terreno da Zona Alta da bacia de Alcântara 9. 9 Na construção desta imagem foram usados tipos de dados diferentes para cada concelho, e por isso existe uma falha de rigor na zona limítrofe. 56

81 5.3. Geologia Foram vários os elementos bibliográficos consultados para a caracterização geológica da bacia em estudo. Com os dados geológicos fornecidos pelas câmaras municipais da Amadora e Lisboa construiu-se o mapa geológico apresentado na Figura 5.4. A sua análise permitiu fazer o levantamento de todas as formações existentes na área em estudo, listadas no Quadro 5.2. Figura 5.4: Mapa geológico da Zona Alta da bacia de Alcântara. Quadro 5.2: Levantamento das formações geológicas intersectadas pela área da bacia em estudo. Formação Aluviões e aterros (a) Depósitos de terraços marinhos Era (Recente) Filões e massas de teralito Areolas de Estefânia (M Es) Argilas de Prazeres (M Pr) Formação de Benfica (ou Complexo de Benfica 10 ) (φ Bf) Argilas de forno de tijolo (M Ft) Calcários de Entrecampos (M Ec) Complexo Vulcânico de Lisboa (β 1 ) Formação de Bica (C 2 Bi) Formação de Caneças (C 2 Cn) Cenozoico Cenozoico Cenozoico Cenozoico Cenozoico Mesozoico Mesozoico Mesozoico 10 Segundo os dados da Câmara Municipal de Lisboa 57

82 Do Quadro 5.2 e da Figura 5.4 conclui-se que a zona em estudo intercepta maioritariamente unidades litoestratigráficas das Eras Cenozoica e Mesozoica. Verifica-se ainda a presença significativa de materiais de origem magmática, pertencentes ao Complexo Vulcânico de Lisboa. Nos próximos parágrafos apresenta-se uma breve descrição de algumas formações geológicas, baseada fundamentalmente na Componente Geológica do Plano Diretor Municipal de Lisboa (Câmara Municipal de Lisboa 2010a). As rochas mais antigas que afloram na zona em estudo remontam ao Cretácico superior (com aproximadamente 97 Ma 11 ). Devido a um episódio de transgressão marinha que terá ocorrido nessa altura, terão existido condições para a sedimentação de vasas num ambiente marinho, litoral, de águas quentes e pouco profundas. Foi assim que surgiu a Formação de Caneças, caracterizada por margas de cor amarelada, alternadas com bancadas de calcários margosos. Sobrejacente a esta unidade depositaram-se os sedimentos que deram origem à Formação de Bica. Caracterizada por séries de camadas espessas de calcários compactos de cor branca, por vezes apinhoados, esta formação apresenta vários vestígios de fósseis (bivalves, gastrópodes, crustáceos, equinodermes e alguns vertebrados, e rudistas, na parte superior destas unidades de calcários). Pensa-se que se foram formando pequenas lagunas entre os recifes, ao longo do período de sedimentação e consolidação destes sedimentos. O ambiente marinho e a comunicação temporária desta unidade com o mar proporcionou a formação de bancadas de calcários folhetados, com restos de uma fauna empobrecida, onde se destacam abundantes leitos e nódulos de sílex. A posterior emersão desta formação levou a processos de erosão e carsificação, surgindo heterogeneidades texturais e um aspeto tipicamente apinhoado. A época que seguiu a génese da Formação de Caneças e Formação de Benfica terá sido marcada por um evento de vulcanismo que abrangeu um larga zona da região de Lisboa. O Complexo Vulcânico de Lisboa (CVL) terá tido origem na ascensão de magma através de condutas, chaminés e filões que resultaram da intensa fracturação criada pela movimentação de placas. Não é fácil estimar a idade desta formação: as datações radiométricas permitem fixar uma idade mínima de 130 Ma para esta unidade, existindo no entanto autores que sugerem uma idade efetiva de 72 Ma. O CVL caracteriza-se pela intercalação de escoadas basálticas e episódios explosivos piroclásticos, existindo ainda materiais sedimentares intercalados, originados em períodos de inatividade vulcânica. As escoadas podem apresentar espessuras até 12 m (Ribeiro et al. 2010). início do Período Paleogénico ( 65 Ma) foi marcado pela intensa atividade tectónica que levou ao enrugamento do relevo existente e à emersão e ausência de sedimentação. Nessa altura a região de Lisboa era marcada por uma paisagem continental (ainda sem a delimitação do Rio Tejo), sub-árida e com intensos fenómenos erosivos. Deste ambiente resultou o transporte de grandes volumes de material heterogéneo por rios de regime torrencial, das zonas mais altas até às bacias de deposição. Foi nestas bacias que se depositaram os sedimentos conglomeráticos que constituem a Formação de Benfica. Trata-se de sedimentos fluviais detríticos grosseiros que em alguns locais assentam em 11 Milhões de anos 58

83 inconformidade sobre o substrato Mesozoico. Esta formação constitui um complexo detrítico muito heterogéneo, englobando argilas muito duras a rijas de cores em geral avermelhadas, areias muito compactas, seixos e calhaus e composto por conglomerados, arenitos, argilas e alguns níveis de calcários e de arenitos calcários (Ribeiro et al. 2010). O tom avermelhado dos sedimentos resulta da oxidação dos minerais de ferro, denunciando as características oxidantes do ambiente de deposição. Segue-se o Período Miocénico ( 24 Ma), caracterizado pelo regresso do regime marinho à região. A série miocénica da região de Lisboa exibe 300 metros de alternância entre argilas, margas, areias e calcários, representando episódios de transgressão e regressão. Estes episódios resultaram na formação de rochas típicas de diversos ambientes peri-continentais e litorais, a que correspondem sedimentos e fósseis característicos dos mesmos, como é o caso de Areolas de Estefânia e Argilas de Prazeres. A formação Areolas da Estefânia é constituída por areias finas, siltosas, micáceas de cores vivas, argilas silto-arenosas e arenitos mais ou menos consolidados, com uma espessura total aproximadamente de 24 a 36 m. A formação Argilas dos Prazeres é composta por argilitos, argilitos siltosos, argilitos margosos, margas e calcários (Ribeiro et al. 2010). Uma descrição detalhada de cada formação presente na área em estudo, incluindo das formações Cálcarios de Entrecampos e Argilas de Forno de Tijolo (que não foram mencionadas nos parágrafos anteriores), pode ser consultada em Vasconcelos (2011) Hidrologia e ocupação do solo Segundo o Instituto Nacional da Água (1997), distinguem-se quatro unidades hidrogeológicas em Portugal Continental, que correspondem às quatro grandes unidades morfo-estruturais do país. O sistema de Alcântara, assim como a íntegra dos concelhos de Lisboa e Amadora, localiza-se na Orla Mesocenozóica Ocidental, abreviadamente designada por Orla Ocidental. Esta unidade contém tipicamente formações calcárias, margosas, detríticas e argilosas do Mesozoico, formações detríticas e calcárias do Cenozoico e também areias e aluviões quaternárias (Lencastre et al., 1992; citado por Ribeiro et al. 2010). Apesar de se identificarem vários sistemas individualizados de aquíferos na Orla Ocidental, nenhum deles abrange a área em estudo. Assim, e para uma análise mais detalhada da hidrogeologia da bacia, recorreu-se ao relatório elaborado pelo Centro de Geossistemas do Instituto Superior Técnico para a EPAL (Ribeiro et al. 2010). Neste documento são apresentadas as profundidades e níveis hidrostáticos medidos em diversos poços, localizados nas diferentes unidades litológicas do concelho de Lisboa. Apesar de apenas dois desses poços se localizarem no interior da bacia (Figura 5.5) e de não haver qualquer dado relativo ao concelho da Amadora, considera-se que não haverá uma variação espacial significativa das características hidrológicas das formações, até porque a área abrangida é reduzida, à escala hidrogeológica. Na Figura 5.5 apresenta-se a localização dos poços analisados no estudo que se encontram mais próximos da bacia. No Quadro 5.3 apresentam-se os valores de profundidade de cada captação e o nível hidrostático medido. 59

84 Figura 5.5: Localização de alguns dos pontos de captação com maiores profundidades inventariados em Ribeiro et al. (2010) e que intersectam formações geológicas presentes na bacia em estudo. Quadro 5.3: Correspondência entre as formações geológicas aflorantes e a profundidade das várias captações de água subterrânea da área Metropolitana de Lisboa, na década de 40. Adaptado de Ribeiro et al. (2010). Formação Geológica Tipo de captação Profundidade (m) Nível hidrostático 12 (m) 1 Argilas do Forno do Tijolo Poço Calcários de Entrecampos Poço 30.0 * 3 Calcários de Entrecampos Poço 30.0 * 4 Areolas da Estefânia Poço 34.0 * 5 Argilas e Calcários dos Prazeres Poço Formação de Benfica Poço Complexo Vulcânico de Lisboa Furo * * dados não disponíveis O complexo Argilas do Forno do Tijolo apresenta uma baixa permeabilidade, formando-se aquitardos com espessura aproximada de 19 metros (Silva et al. 2007). De entre as captações inventariadas nesta formação, a que apresenta um nível hidrostático com maior profundidade localiza-se no interior da bacia, estando identificada na Figura 5.5 e no Quadro 5.3 com o número 1. As litologias Calcários de Entrecampos e Areolas da Estefânia apresentam características de aquífero semi-confinado (Silva et al. 2007). Em ambas há registos de diversas captações de água subterrânea. Também na formação aflorante Argilas e Calcários dos Prazeres se regista um elevado número de captações (nomeadamente poços). O poço com maior profundidade é o identificado com o número 5, localizado muito próximo dos limites da bacia em estudo. 12 Referente à cota do terreno 60

85 As formações do Complexo Vulcânico de Lisboa constituem um aquífero com uma acentuada heterogeneidade litológica, caracterizando-se por baixos níveis freáticos. A captação de água com maior profundidade corresponde a um furo nas proximidades da bacia (número 7) e apresenta um volume de água extraível de 81 m 3 /dia (Ribeiro et al. 2010). A Formação de Benfica caracteriza-se por uma baixa permeabilidade. Não obstante, em zonas de espessura reduzida a média e separadas entre si por camadas impermeáveis a semipermeáveis de maior espessura é possível a formação de aquíferos de camadas múltiplas (com níveis suspensos ou semi-confinados). De entre os registos disponíveis, é nesta formação que o nível hidrostático se encontra mais próximo da superfície (número 6, localizado no interior da bacia). Produtividade, nível hidrostático e permeabilidade A produtividade dos sistemas hidrogeológicos foi divida por Ribeiro et al. (2010) em três classes, consoante o caudal de exploração das captações de água subterrânea: Produtividade alta: 6 l/s Produtividade média: 1 l/s e < 6 l/s Produtividade baixa: < 1 l/s Em Ribeiro et al. (2010) caracterizou-se a produtividade de algumas unidades geológicas aflorantes na bacia em estudo. Foram analisadas diversas amostras e conclui-se que os caudais de exploração das captações (ou a sua produtividade) variam entre l/s e 9.72 l/s, valores registados nas formações Argilas e Calcários dos Prazeres e Complexo vulcânico de Lisboa, respetivamente. Os valores medianos estão compreendidos entre l/s (Argilas e Calcários dos Prazeres) e 2.01 l/s (Areolas da Estefânia). No Quadro 5.4 apresenta-se a classificação da produtividade das formações geológicas aflorantes mais relevantes na bacia, verificando-se que predominam zonas com produtividade média a baixa. Apresentam-se ainda os valores do nível hidrostático das captações de água subterrânea, apresentados por Ribeiro et al. (2010). Quadro 5.4: Classes de produtividade e níveis hidrostáticos das principais formações geológicas aflorantes na bacia em estudo. Adaptado de Ribeiro et al. (2010). Referência Formação Geológica Classe de produtividade Nível Hidrostático (m) Média Mediana Mínimo Máximo 1 2 Argilas do Forno do Tijolo Calcários de Entrecampos Média Média a Baixa Areolas da Estefânia Média a Baixa Argilas e Calcários dos Prazeres Baixa Formação de Benfica Baixa Complexo Vulcânico de Lisboa Baixa

86 Nível Hidrostático (m) O valor médio do nível hidrostático obtido nas diversas formações geológicas aflorantes ronda os 6 a 8 m, como se mostra na Figura 5.6. Salienta-se que os valores médios diferem dos valores apresentados no Quadro 5.3, que se referiam a medições pontuais num único furo o poço , Formação Geológica (referência) Figura 5.6: Relação entre os valores médios do nível hidrostático e as formações geológicas aflorantes. Para além do estudo atrás referido, analisou-se ainda o mapa de permeabilidades disponibilizado pela Câmara Municipal de Lisboa (CML), apresentado na Figura 5.7. Figura 5.7: Complexos hidrológicos identificados no município de Lisboa Na Figura 5.7 distinguem-se cinco classes de permeabilidade, variando de alta a baixa. Verifica-se que a bacia em estudo abrange todas as classes, existindo por isso uma grande diversidade no comportamento hidrogeológico. A separação das zonas de permeabilidade está muito relacionada com as formações geológicas e com a descrição que foi feita anteriormente, no que se refere às suas propriedades hidrogeológicas. Aliás, o mapa foi elaborado com base nas propriedades geológicas de cada formação, pelo que é um reflexo do que foi referido. Note-se que como não se teve acesso a dados hidrogeológicos do concelho da Amadora, não foi possível analisar uma parte da bacia. Uso do solo Em muitos casos, o solo está coberto por edifícios, estradas ou zonas verdes que alteram as características originais das formações geológicas. Assim, é necessário analisar o uso do solo independentemente das formações geológicas e das suas características e propriedades. 62

87 No Plano Geral de Drenagem de Lisboa (PGDL) foi produzida uma carta simplificada onde se identificam oito diferentes classes de uso do solo para o concelho de Lisboa (Figura 5.8). Para efeitos de determinação de caudais de ponta de cheia, foi atribuído a cada classe um coeficiente C (relativo ao método racional generalizado, conforme proposto no Decreto Regulamentar 23/95), como se mostra o Quadro 5.5. Refira-se que o parâmetro C pretende traduzir os efeitos da infiltração, interceção, detenção superficial, retenção superficial e período de retorno. Figura 5.8: Uso do solo no Concelho de Lisboa (ENGIDRO e HIDRA 2007a). Quadro 5.5: Coeficientes do método racional (Galvão et al. 2006). Classes de uso C Espaço verde 0.3 Praias e dunas 0.3 Cursos de água 0.0 Área edificada 0.8 Área edificada Moradias 0.5 Área edificada Baixa densidade 0.6 Área não edificada ou degradada 0.5 Canal rodo-ferroviário 1.0 Área industrial 0.8 Usos especiais 0.8 No PGDL sugere-se que o valor de C a adotar na bacia de Alcântara (incluindo a Zona Baixa) é de Esta estimativa foi obtida cruzando a distribuição espacial do coeficiente C com os limites de todas as sub-bacias de Lisboa, e calculando uma média ponderada, de acordo com a área, do valor do coeficiente C de cada sub-bacia. Antes de concluir o subcapítulo referente ao uso do solo, importa apresentar a Figura 5.9. Recorrendo aos dados disponibilizados pelas Câmaras Municipais de Lisboa e da Amadora, foi possível montar um mapa onde se distinguem zonas verdes (jardins, parques, etc.), zonas edificadas e vias de comunicação. É evidente a predominância de superfícies impermeáveis ao longo de toda a bacia. Graças às funcionalidades do software ArcGis, sabe-se que a área de espaços verdes dentro da 63

88 bacia é de aproximadamente 5.7 km 2, o que corresponde a uma percentagem de zona verde de cerca de 20%. Figura 5.9: Zonas verdes, edificadas e vias de comunicação existentes na bacia em estudo População servida e capitações Uma vez que não existem estudos de população ou capitação específicos para a bacia de drenagem em estudo, este subcapítulo baseou-se no PGDL (2006). Apesar de este documento ter sido desenvolvido apenas para o concelho de Lisboa, e uma vez que não se teve acesso ao mesmo tipo de dados relativos ao concelho da Amadora, considerou-se que as estimativas e previsões da população se podiam estender a toda a bacia (sem grande erro). No PGDL foram analisados diversos estudos sobre a evolução da população na área servida pelo sistema de drenagem de Lisboa, baseados nos Censos de Na Figura 5.10 apresentam-se as previsões de população para o concelho de Lisboa segundo os diversos estudos consultados no âmbito do PGDL (ENGIDRO e HIDRA 2007a). Os valores estimados para a população total no concelho de Lisboa e as respetivas taxas geométricas (T g ) apresentam-se no Quadro ,000, , , , , , , , , ,000 CENSOS CENÁRIOS INE Elevado CENÁRIOS INE Base CENÁRIOS INE Reduzido PGR97 FBO Aquaforum CESUR CresNat CESUR ModTend CESUR IntUrb. CESUR OcupTotal Figura 5.10: Previsões de população para o concelho de Lisboa, segundo o PGDL (2006): citado por ENGIDRO e HIDRA (2007a). 64

89 Quadro 5.6: Populações totais segundo o PGDL (2006) e respetivas taxas geométricas de evolução. Adaptado de ENGIDRO e HIDRA (2007a). Ano População (hab) T g (%) Os dados acima apresentados referem-se a todo o concelho de Lisboa e têm por base os resultados dos Censos Com o objetivo de adaptar esta metodologia ao caso em estudo, nomeadamente ao sistema de drenagem da Zona Alta de Alcântara, utilizaram-se os dados dos Censos 2011 e seguiu-se o procedimento que se descreve no Anexo III. Obteve-se uma população total, em 2011, de habitantes. Relativamente às previsões de crescimento de população, foram calculadas as populações esperadas na bacia para um horizonte de 10 e 20 anos, considerando as taxas geométricas de evolução da população usadas no PGDL. Os valores encontrados em ambos os casos, assim como a população registada em 2011, apresentam-se no Quadro 5.7. Quadro 5.7: Previsões de crescimento da população na Zona Alta da bacia de Alcântara. Ano População (hab) T g (%) As densidades populacionais médias na Zona Alta de Alcântara, para cada quarteirão pertencente à BGRI (Base Geográfica de Referenciação da Informação) e segundo os dados dos Censos 2001, representam-se na Figura Figura 5.11: Densidades populacionais médias por quarteirão da BGRI, segundo os dados do Censos 2001 (ENGIDRO e HIDRA 2007a). 65

90 A BGRI é um sistema de referenciação geográfica, apoiado em ortofotocartografia sob a forma digital, resultado da divisão da área das freguesias em pequenas unidades territoriais estatísticas (Instituto Nacional de Estatística 2012). Depois de expostos os dados de população na zona em estudo, segue-se para a apresentação das capitações. No concelho de Lisboa são atualmente consumidos cerca de 59 hm 3 de água por ano, sendo o sector doméstico responsável por 50% deste valor, seguido pelo comércio e indústria (23%) e pelos serviços (15%) (ENGIDRO e HIDRA 2007a). A capitação média doméstica no concelho de Lisboa é de cerca de 130 l/hab/dia, sendo que se prevê uma estabilização do valor em 145 l/hab/dia, a partir de 2025 (ENGIDRO e HIDRA 2007a). Relativamente à capitação equivalente do consumo comercial, industrial e de serviços admitem-se valores inferiores a 200 l/hab/dia Rede de drenagem O sistema de drenagem da cidade de Lisboa é muito diversificado e complexo. Existem núcleos de zonas unitárias, separativas e pseudo-separativas, sendo que em alguns casos as redes separativas são intercaladas com unitárias. Identificam-se três tipos de redes distintos, nomeadamente ramificadas, malhadas, e pseudo-malhadas. Há ainda uma grande variedade nos tipos de secção e nos materiais usados, que variam entre alvenaria de pedra, tijoleira, betão, PVC (Policloreto de Vinil) ou PEAD (Polietileno de Alta Densidade). Os coletores apresentam idades muito distintas e as ligações e intersecções são pouco claras, o que dificulta a compreensão do funcionamento integrado das redes. Por fim, é de referir a complexidade acrescida pela contribuição de efluentes provenientes de concelhos vizinhos (como Amadora e Oeiras) e a influência da maré, nas zonas ribeirinhas. A diversidade de infraestruturas que integram o sistema contribui também para a sua elevada complexidade destacam-se os descarregadores (de ligação, de tempestade), as diversas instalações elevatórias (as principais são cerca de uma dezena), as estruturas especiais (como transições de secção) e válvulas de maré. A estação de tratamento que serve a bacia em estudo é a ETAR de Alcântara, atualmente a maior ETAR coberta do país, localizada na Av. De Ceuta (Figura 5.12). Figura 5.12: Imagem ilustrativa da cobertura exterior da ETAR de Alcântara [ 66

91 Apesar de ter sido projetada para um caudal máximo de aproximadamente 4.5 m 3 /s, caudal médio afluente à ETAR em tempo seco é pouco superior a 1.0 m 3 /s (ENGIDRO e HIDRA 2007a). Em 2006 iniciou-se um projeto de adaptação e ampliação da ETAR, com o principal objetivo de melhorar o nível de tratamento das águas residuais e requalificar a paisagem e o ambiente na zona envolvente. Refira-se ainda que atualmente a população servida pela ETAR de Alcântara ronda os 756 mil habitantes. Caneiro de Alcântara Atualmente, o sistema de Alcântara é maioritariamente unitário, embora existam alguns troços de rede separativa, construídos recentemente. O comprimento total de coletores é de cerca de 250 km e estima-se que o sistema sirva cerca de habitantes equivalentes 13. Como referido anteriormente, o Caneiro de Alcântara corresponde à canalização da Ribeira de Alcântara, principal linha de água da bacia hidrográfica em estudo e a mais longa da região de Lisboa. De seguida descrevem-se algumas das características mais relevantes do Caneiro. O Caneiro de Alcântara tem início no Casal de S. Brás (Amadora) e apresenta uma extensão de aproximadamente 13 km até ao ponto de descarga no Rio Tejo, junto à Doca de Santo Amaro (Alcântara, Lisboa). É possível distinguir quatro ramos distintos na estrutura principal do Caneiro (Figura 5.13): ramo de Benfica-Campolide, ramal das Avenidas-Novas, ramo Campolide-Alcântara e o troço Marítimo (ENGIDRO e HIDRA 2007a). A Zona Alta inclui apenas a extensão do Caneiro a montante da ETAR de Alcântara e abrange os dois primeiros ramos e parte do ramo de Campolide-Alcântara. Figura 5.13: Representação esquemática dos ramos principais do Caneiro de Alcântara. Adaptada de ENGIDRO e HIDRA (2007a). Refira-se que é comum designar por braço da Falagueira o troço do Caneiro pertencente ao concelho da Amadora, sendo o termo Caneiro de Alcântara aplicado apenas ao trecho situado no concelho de 13 Habitante equivalente representa a carga orgânica biodegradável com uma carência bioquímica de oxigénio de 60 g/dia. 67

92 Lisboa (Figura 5.14). Existe ainda um outro troço no concelho da Amadora afluente ao Caneiro de Alcântara ao qual se dá o nome de Caneiro da Damaia, retratado na Figura Figura 5.14: Caneiro da Falagueira Figura 5.15: Caneiro da Damaia Em geral, os perfis longitudinais dos troços do Caneiro de Alcântara são constituídos por trainéis com m/m de inclinação, sendo os desníveis entre trainéis vencidos por rampas de transição com 0.10 m/m de inclinação. Ao longo de todo o traçado existem galerias de acesso que não só permitem a passagem de serviços de manutenção e conservação, como também drenam os caudais de coletores e linhas de água existentes. As galerias de acesso apresentam uma secção em abóbada semicircular de 1500 mm de diâmetro e uma altura livre interior de 2 m na crista da abóbada. A drenagem de água de infiltração com origem nos aluviões da zona é feita através de dois drenos de betão, de 500 mm de diâmetro, com juntas secas envoltas em enrocamento e com capacidades máximas de 540 l/s (Galvão et al. 2006). Em 2006 existiam informações da CML que indicavam um elevado nível de assoreamento. Em praticamente toda a extensão observa-se uma secção transversal tipo Caneiro (ilustrada na Figura 5.16), composta por um arco parabólico de 0.45 m de espessura, assente em maciços de encontro que transmitem as cargas às fundações. A soleira do Caneiro de Alcântara é uma estrutura independente da secção superior e possui uma caleira central para escoamento das águas residuais de tempo seco (à exceção do troço final do Caneiro, que não dispõe de soleira). Figura 5.16: Secção Tipo Caneiro. Relativamente à secção útil do Caneiro, esta é constituída por uma caleira inferior com 0.75 m de altura, por uma secção intermédia aproximadamente retangular e uma cobertura de perfil parabólico. No trecho a seguir à estação de comboios de Campolide, a altura total da secção é de 5.15 m e a largura máxima de 8 m. Em geral, a curva central da caleira permite o transporte de cerca de 2 m 3 /s, 68

93 sendo que a totalidade da caleira permite a passagem de um caudal de cerca de 5 m 3 /s. Em tempo seco é possível circular nas duas faixas laterais e proceder à limpeza ou inspeção da tubagem. Nas secções transversais do tipo Caneiro, a estrutura é construída em betão simples. Apesar ser a solução dominante, existem também troços em alvenaria de pedra e em betão armado, onde são adotados outros tipos de secção transversal. Salienta-se o exemplo dos troços próximos de travessias da CP (Comboios de Portugal), onde o Caneiro é construído em alvenaria e apresenta uma secção habitualmente designada por secção tipo CP. Nas rampas entre trainéis, o betão é reforçado (600 kg de cimento por metro cúbico) e existe um reboco em argamassa com 1 cm de espessura. Ao longo dos últimos anos, têm sido identificados vários problemas estruturais no Caneiro de Alcântara. Para além de se tratar de uma estrutura antiga e complexa, há zonas em que os níveis de sobrecarga sobre o Caneiro são atualmente muitos superiores àqueles para os quais as paredes foram dimensionadas. Acresce ainda o facto de o Caneiro de Alcântara estar soterrado em zonas extremamente sensíveis, nomeadamente sob estruturas viárias e ferroviárias importantes. Os problemas estruturais do Caneiro têm causado acidentes preocupantes e que denunciam a existência de um elevado risco social, económico e ambiental. Em 25 de Novembro de 2003, por exemplo, ocorreu um colapso junto da estação de comboios de Campolide que levou à queda de um autocarro para o interior do Caneiro (Figura 5.17). Em Dezembro do mesmo ano ocorreu um abatimento do Caneiro de Alcântara junto ao Bairro da Liberdade, em Campolide (Figura 5.18). Figura 5.17: Pormenor do autocarro caído no interior do Caneiro Figura 5.18: Abatimento do Caneiro no Bairro da Liberdade A Câmara Municipal de Lisboa tem vindo a fazer algumas intervenções para reabilitação do Caneiro de Alcântara (ENGIDRO e HIDRA, 2007a). Na zona de Campolide (onde ocorreram os dois acidentes referidos), o Caneiro foi devidamente reparado e não deverá apresentar, atualmente, um elevado risco de colapso. Antes de terminar o presente capítulo, apresentam-se algumas fotografias e desenhos (Figuras 5.19 a 5.25) relativos ao Caneiro de Alcântara, retirados de ENGIDRO e HIDRA (2007a). 69

94 Figura 5.19: Confluência entre o ramo de Campolide Benfica e o Ramal Av. Novas. Figura 5.20: Aqueduto da Estação C.P. (Campolide). Figura 5.21: Quedas no interior do Caneiro, junto à Estrada Militar. Figura 5.22: Rampa sob a estação de Campolide. Figura 5.23: Soleira abatida na zona de Campolide. Figura 5.24: Assoreamento do Caneiro na Rua Garridas. Figura 5.25: Perfis do projeto do Caneiro de Alcântara (secção tipo Caneiro). Adaptada de ENGIDRO e HIDRA (2007a). 70

95 6. Avaliação de infiltração no sistema de Alcântara 6.1. Considerações iniciais No Capítulo 4 foram descritas três metodologias para estimar a infiltração, por ordem crescente de complexidade. Neste capítulo pretende-se expor a aplicação de duas das metodologias referidas ao caso de estudo anteriormente descrito, o Caneiro de Alcântara. Primeiro apresenta-se a análise do caudal na bacia e estudam-se os mínimos e as variações horárias e mensais (nível I). Depois, são analisados os dados de CQO e isótopos, ambos obtidos numa campanha decorrida entre 22 e 24 de Julho e cujo relatório e descrição se encontra no Anexo V. Apresentam-se estimativas para a infiltração com base no que foi descrito no modelo de nível II Aplicação do modelo de nível I Considerações iniciais Paralelamente a esta dissertação foi feito um estudo do comportamento dos caudais no Caneiro de Alcântara, com o principal objetivo de obter padrões de tempo seco que ajudem à compreensão do funcionamento do sistema de drenagem e na estimativa do caudal infiltrado (Anexo I). Os registos de caudal usados foram cedidos pela SIMTEJO e são referentes à secção ALC200 do Caneiro de Alcântara, localizada junto à entrada da ETAR (Figura 6.1). Figura 6.1: Localização em planta do ponto de medição ALC200 e da ETAR de Alcântara [GoogleEarth]. Avaliaram-se registos ao longo do período de um ano, de 01/07/2012 a 30/06/2013, com medições espaçadas de 5 minutos. Verificou-se que existiam alguns dias sem qualquer registo de caudal (provavelmente devido a problema com o equipamento), pelo que o número total de dias disponíveis para análise foi de

96 Numa primeira fase, considerou-se a conversão dos registos em caudais médios horários. No entanto, foi feito um pequeno estudo no qual se verificou que o nível de rigor deveria ser superior, principalmente porque se pretende captar pequenas variações do caudal no período noturno (Anexo I). Assim, optou-se por usar valores do caudal médio em cada 15 minutos. A definição de tempo húmido, tempo de transição e tempo seco seguiu o sugerido no subcapítulo 4.1. Uma vez que não foi possível aceder a registos de precipitação dentro da bacia, foram usados os valores obtidos em zonas próximas. Para os meses do ano de 2012 foram usados registos de precipitação de três postos udométricos diferentes: Pontinha, Beirolas e Instituto D. Luíz. O valor de precipitação diária considerado foi o maior dos registados em cada posto, por razões conservativas. Note-se que este valor poderá não corresponder à precipitação que ocorreu sobre a bacia em estudo, mas deverá ser próximo. Como se pretende apenas selecionar os dias de tempo seco ao longo do período em análise, não se considerou necessário aplicar um modelo mais rigoroso para estimar a precipitação na bacia (como por exemplo o método de Thiessen, sugerido no subcapítulo 4.4 para o sistema de modelos de nível III). Para o ano de 2013 não foi possível ter acesso ao registo de dados nos postos da Pontinha e Beirolas, pelo que foram apenas usados os do Instituto D. Luíz. Consideraram-se como dias húmidos todos aqueles em que a precipitação registada foi igual ou superior a 0.25 mm. Foram analisados os caudais dos dois dias seguintes a cada dia de tempo húmido e, como se concluiu que a influência da precipitação apenas se faz sentir nas horas imediatamente após o evento, considerou-se razoável admitir um tempo seco-transição de um dia (Anexo I). Com base nestas definições, o período em análise ficou dividido conforme apresentado Quadro 6.1, contabilizando-se 208 dias de dados de tempo seco disponíveis para análise. Quadro 6.1: Divisão do número de dias de tempo húmido, seco-transição e seco na bacia em estudo, para o período em análise. Classificação do tempo Húmido 111 Seco-Transição 39 Seco 208 Número de dias Com os registos de caudal médio em 15 minutos ao longo dos 208 dias de tempo seco obteve-se um padrão diário, apresentado Figura 6.2. e tabelado no Anexo II. Verifica-se que o caudal se mantém praticamente constante ao longo do dia (rondando o valor de 1.20 m 3 /s), variando apenas durante o período noturno, onde sofre um decréscimo significativo. O valor mínimo apresentado no padrão é de 1.06 m 3 /s e ocorre às 04:45 h, mas pode definir-se uma envolvente de caudais mínimos entre as 01:00 h e as 07:30 h. Apesar de não ser muito marcado, o caudal máximo regista-se às 10:45 h, tomando o valor de 1.25 m 3 /s. A diminuição do caudal no período noturno era espectável e traduz os hábitos da população as descargas domésticas diminuem a partir das 22:00 h, mas só mais tarde é que esse efeito começa a ser sentido na secção ALC200. Estima-se que o tempo de concentração natural da bacia seja de 6 a 72

97 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Percentagem de mínimos registados Q T (m 3 /s) 8 horas, pelo que as descargas feitas na zona do concelho da Amadora, ou em outras zonas mais distantes da ETAR, podem demorar algumas horas a percorrer o sistema. Por outro lado, a partir das 07:00 h começa novamente a aumentar o caudal descarregado na rede, devido à rotina e aos hábitos de higiene da população (banhos, etc.). O efeito das descargas próximas da secção em estudo é sentido quase imediatamente, pelo que o caudal começa a aumentar mais rapidamente a partir das 07:30 h :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Tempo (h) Figura 6.2: Padrão diário do caudal médio de 15 minutos, na secção ALC200. Foi feita uma análise estatística para tentar perceber se o conjunto dos caudais registados a uma dada hora seguia uma distribuição normal, log-normal, Pearson III ou Gumbel. No entanto, não se verificou nenhuma correlação. Uma análise mais detalhada dos mínimos diários é apresentada na Figura 6.3, onde se verifica que é tipicamente entre as 02:00 h e as 07:30 h (aproximadamente) que afluem à ETAR os caudais mínimos. 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% Tempo (h) Figura 6.3: Distribuição dos caudais mínimos diários, por hora. 73

98 Q T (m 3 /s) O padrão diário do caudal de tempo seco varia mensalmente, conforme mostra a Figura 6.4. Os padrões dos meses de Junho, Agosto, Setembro, Outubro, Novembro e Março estão, em média, abaixo do padrão anual (os restantes seis meses estão acima). Se por um lado o período de férias poderia justificar o baixo caudal em Junho e Agosto, por outro verifica-se que no mês de Julho o caudal médio é dos mais elevados. A nível da infiltração, pode-se colocar a hipótese dos caudais serem superiores nos meses tipicamente chuvosos (dezembro, janeiro, fevereiro) devido ao nível freático estar mais elevado e haver consequentemente um caudal acrescido pela infiltração das águas subterrâneas :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Tempo (h) jul/12 ago/12 set/12 out/12 nov/12 dez/12 jan/13 fev/13 mar/13 abr/13 mai/13 jun/13 padrão Figura 6.4: Padrões diários mensais do caudal médio de 15 minutos e padrão anual, na secção ALC Estimativa da infiltração Apresenta-se de seguida a aplicação do modelo de nível I ao caso de estudo do Caneiro de Alcântara. Usaram-se os dados de caudal médio de 15 minutos medidos na secção ALC200 ao longo de 208 dias de tempo seco. Para aplicar o nível I, selecionaram-se três dos valores característicos da série de caudais analisados, nomeadamente o mínimo, a média e o máximo (Quadro 6.2). Para os primeiros dois parâmetros consideram-se todos os valores registados, ou seja, obteve-se o caudal mínimo absoluto e o valor médio global. No entanto, verificou-se que o caudal máximo absoluto era demasiado elevado (superior a 3 m 3 /s) e correspondia a uma situação pontual e não representativa. Optou-se então por adotar, para o caudal de ponta, o valor máximo dos caudais médios mensais em cada 15 minutos, apresentados na Figura 6.4. Quadro 6.2: Valores mínimo, máximo e médio do caudal total de tempo seco adotados para a bacia de Alcântara. (m 3 /s) (m 3 /s) (m 3 /s)

99 Aplicando a equação (4.4) ao número de habitantes servidos pelo sistema de drenagem apresentado ( hab, conforme apresentado no subcapítulo 5.5), obtém-se um fator de ponta máximo igual a Conhecendo os dados de caudal e o referido fator de ponta, aplicou-se o sistema de equações (4.6) e obteve-se uma solução impossível, tal como se tinha previsto no subcapítulo 4.2. Esta situação faz com que se questione a validade da equação (4.4) e a aplicabilidade do próprio conceito de fator de ponta. Alternativamente, e seguindo o nível I, desprezaram-se os cálculos do sistema (4.6) e prosseguiu-se o estudo da infiltração com a análise dos caudais mínimos. Considerando a situação extrema de o caudal de infiltração ser igual ao caudal mínimo, ou seja, de o fator de ponta mínimo ser nulo, obtiveram-se os resultados apresentados no Quadro 6.3. Quadro 6.3: Caudal médio de águas residuais, fator de infiltração e fator de ponta máximo para a situação hipotética de o caudal infiltrado ser igual ao caudal mínimo. (-) (-) (m 3 /s) (m 3 /s) O fator de ponta apresentado no Quadro 6.3 mostra a inviabilidade da aplicação da equação (4.4) ao presente caso de estudo. O valor obtido através da referida equação, 1.63, seria fisicamente impossível, uma vez que ultrapassa o fator de ponta correspondente ao cenário de infiltração máxima. Seguindo o procedimento descrito em 4.2, adotou-se um valor diferente de zero para o fator de ponta mínimo e calculou-se o caudal de médio de infiltração através da equação (4.7). No Quadro 6.4 apresentam-se os resultados da aplicação do nível I ao caso de estudo do Caneiro de Alcântara. Quadro 6.4: Resultados da aplicação do nível I ao caso de estudo do Caneiro de Alcântara. (-) (-) (m 3 /s) (m 3 /s) Tal como sugerido em ENGIDRO e HIDRA (2007b), considerou-se um fator de ponta mínimo de 0.10 e obteve-se uma fração de infiltração de cerca de 35%. Consequentemente, o caudal médio de infiltração, obtido em condições de tempo seco no Caneiro de Alcântara, foi de aproximadamente 0.31 m 3 /s. Este resultado traduz o caudal de infiltração que atravessou, em média, a secção ALC200 ao longo dos 208 dias de tempo seco analisados. Devido à localização desta secção (a jusante da bacia), o valor obtido pode ser indicativo do volume total infiltrado na Zona Alta do sistema de Alcântara. Para além do caudal de infiltração e dos outros parâmetros atrás referidos, obteve-se ainda o caudal médio de águas residuais em tempo seco (excluindo a infiltração), 0.88 m 3 /s. 75

100 Antes de concluir este subcapítulo, salientam-se alguns dos fatores que podem condicionar o rigor dos resultados do método de nível I. A aplicação das equações de análise de caudal só é possível se for assumido, a priori, um valor para o fator de ponta máximo ou para o fator de ponta mínimo. No presente caso de estudo, a escolha da primeira hipótese ficou comprometida devido à inadequação da equação (4.4). Assim, o caudal de infiltração foi calculado pressupondo que o fator de ponta doméstico mínimo seria igual a No entanto, e apesar de esta ser uma hipótese menos incerta do que a primeira, este valor não pode ser comprovado apenas através da análise de séries de caudais, e isso pode tornar poucos rigorosos os resultados do nível I. Esta metodologia considera apenas o cenário de tempo seco, pelo que o caudal de infiltração obtido é pouco conservativo. Os dias de chuva excluídos da análise podem ser pontuais e intervalados com dias de tempo seco, mas também podem estar concentrados, nomeadamente nos meses de Inverno. Em Alcântara, dos 208 dias de tempo seco analisados, apenas 3 se registaram no mês de Março e 7 no mês de Novembro, por exemplo. Nestes dois meses, claramente marcados pela ocorrência de precipitação, os níveis freáticos provavelmente estavam mais elevados e, consequentemente, o caudal infiltrado pode ter sido superior. Destaca-se, por fim, a falta de rigor associada ao desconhecimento da origem e do tipo de afluências. Uma vez que a análise da infiltração se baseia apenas nos caudais registados, qualquer descarga voluntária de efluentes na rede de drenagem afeta os resultados obtidos. A análise de registos num período mais alargado, nomeadamente de vários anos, poderá ajudar a conhecer melhor o comportamento padrão do sistema de drenagem e a reconhecer situações pontuais e excecionais. Ainda assim, e principalmente em bacias tão complexos como a de Alcântara, o rigor do modelo de nível I será sempre reduzido Aplicação do modelo de nível II Considerações iniciais No subcapítulo anterior obteve-se uma estimativa para a infiltração média na Zona Alta da bacia de Alcântara com base em registos de caudal. Agora, e com base na metodologia de nível II apresentada no subcapítulo 4.3, pretende-se melhorar a estimativa anterior através da aplicação do método dos isótopos. Os valores de razão isotópica analisados neste subcapítulo foram obtidos numa campanha de recolha que teve lugar na Zona Alta da bacia de Alcântara, ao longo de três dias de Verão. A campanha foi realizada no âmbito do projeto Avaliação de caudais de infiltração na Zona Alta de Alcântara, incluindo contribuições dos Caneiros da Falagueira e Damaia, na Amadora, uma prestação de serviços do IST, através da ADIST (Associação para o Desenvolvimento do Instituto Superior Técnico), à SIMTEJO. A campanha teve lugar nos dias 22, 23 e 24 de Julho e consistiu na recolha de amostras de água freática, residual e potável em diversos locais dos concelhos da Amadora e Lisboa, para posterior 76

101 medição da razão isotópica, em laboratório. Foram ainda recolhidas amostras para análise da CQO e foram medidos, in situ, os parâmetros de temperatura, ph, potencial redox, oxigénio dissolvido e condutividade. As análises de razões isotópicas foram levadas a cabo pela Stable Isotopes and Instrumental Analysis Facility (SIIAF), pertencente ao Centro de Biologia Ambiental da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (FCUL). A CQO foi analisada em dois laboratórios diferentes: Laboratório de Análises Químicas do Instituto Superior Técnico (águas freáticas) e laboratório da SIMTEJO (águas residuais). Refira-se que nem todos os dados obtidos na campanha foram utilizados nesta dissertação. Apesar de se terem feito recolhas em duas outras secções da rede de drenagem (Falagueira e Damaia), serão apenas usados os resultados obtidos no Caneiro de Alcântara, fundamentalmente por questões de sigilo, exigidas pela SIMTEJO. Os resultados obtidos na campanha de 22 a 24 de Julho referem-se apenas ao período de Verão, e devem ser futuramente complementados com os de uma segunda campanha, a realizar em tempo de Inverno (fora do âmbito desta dissertação). Por fim, salienta-se que a decisão de realizar uma campanha de amostragem na Zona Alta da bacia de Alcântara, para posterior aplicação do método dos isótopos, só foi tomada porque se sabia, a priori, que o valor da razão do aquífero local era distinto do valor característico da água potável distribuída na bacia. Em 2007 foi realizado um pequeno estudo experimental que comprovou esta diferença, tornando-se desnecessário proceder, neste caso de estudo, a uma pré-campanha Descrição da campanha de recolha de amostras Nos próximos parágrafos descrevem-se os detalhes práticos da campanha realizada nos dias 22, 23 e 24 de Julho. Apresentam-se os locais de recolha, o número de amostras recolhidas e a sua distribuição horária, e explicam-se ainda os procedimentos adotados em cada local Locais e número de amostras Foram recolhidas amostras em seis pontos distintos da bacia: para além das amostras de águas residuais totais 14, recolhidas no Caneiro de Alcântara (junto à entrada da ETAR), foram recolhidas amostras em cinco outros pontos, dos quais três correspondem a origens de água freática e dois a origens de água potável. A localização dos pontos e a sua descrição encontra-se no Quadro 6.5 e na Figura 6.5. A análise da razão isotópica foi prevista em todos os locais descritos no Quadro 6.5, tendo-se recolhido um total de cinquenta e seis amostras ao longo dos três dias de campanha (catorze de águas residuais, vinte de água potável e vinte e duas de águas freáticas). Simultaneamente, recolheram-se amostras para análise de CQO em todos os locais exceto AP1, AP2 e AF3 (os dois primeiros porque se esperam valores nulos de CQO na água potável e o último por se tratar de uma secção experimental, que não tinha sido incluída no plano inicial). 14 O termo água residual total refere-se a toda a água que circula no caneiro, e não apenas à componente de água residual doméstica e/ou industrial. 77

102 Quadro 6.5: Identificação dos locais de medição da campanha de 22 a 24 de Julho (2013). Origem Local Morada Água residual (total) Caneiro de Alcântara CANETAR ETAR de Alcântara (Av. De Ceuta), Lisboa Água potável (rede) Água freática Bebedouro (Parque Aventura) AP1 Estrada da Falagueira, Amadora Torneira (ETAR de Alcântara) Nascente da R. da Fonte dos Passarinhos Nascente do Jardim da Mina Linha de água do Parque Aventura (Belas/aqueduto) AP2 AF1 AF2 AF3 ETAR de Alcântara (Av. De Ceuta), Lisboa Rua Fonte dos Passarinhos, Amadora Praceta do Jardim da Mina, Amadora Estrada da Falagueira, Amadora Figura 6.5: Localização dos pontos de recolha de amostras na bacia. Por motivos principalmente logísticos, o horário, duração, a distribuição temporal e o tipo de recolhas não foram iguais em todos os dias, como mostra o planeamento apresentado no Anexo IV. No primeiro dia de campanha (22 de Julho), entre as 09:00 e as 17:00 h foram recolhidas quatro amostras em horas diferentes, em todos os locais exceto em AF3 (onde apenas se fizeram duas recolhas). No dia seguinte (23 de Julho) recolheram-se sete amostras de águas residuais e dez amostras em cada local de águas freáticas e potável, ao longo de doze horas (05:00 às 17:00 h). No último dia de campanha (24 de Julho) fizeram-se três recolhas de águas residuais e apenas uma de água potável e água freática (em cada ponto), entre as 05:00 e as 09:00 h Procedimentos de recolha de amostras Os métodos de recolha dependeram do tipo de água e das condições de cada local. No ponto CANETAR, a falta de condições de segurança não permitiu descer até ao Caneiro, pelo que se usou um recipiente pequeno, acoplado a uma vareta comprida, para retirar um volume de água e trazê-lo à 78

103 superfície. Depois, retiraram-se desse recipiente as amostras para análise de isótopos e CQO. Apesar da dificuldade de acesso humano, foi possível mergulhar a sonda diretamente dentro do Caneiro. Na nascente da R. da Fonte dos Passarinhos (AF1) também se usou um copo com braço extensível para trazer a água para a superfície, não tendo sido preciso descer a câmara de visita. Recolheram-se as amostras e mergulhou-se a sonda nesse mesmo copo. A recolha ainda foi mais fácil no jardim da Mina (AF2), onde não foi preciso recorrer a nenhum instrumento porque a água se encontrava muito próxima da superfície. Optou-se apenas por tamponar o canal de saída da água (em cada medição) para forçar a subida do nível e permitir uma submersão mais eficaz da sonda (Anexo V, Figura A V-5). As características dos locais AP1, AF3 e AP2 (bebedouro, torneira da ETAR e linha de água do Parque Aventura, respetivamente) não permitiram a recolha direta da fonte. Nos primeiros dois casos optou-se por encher um copo, e dele recolher as amostras para análise de isótopos e CQO. No caso do ponto AP2, depois de se deixar correr a água da torneira durante um certo tempo, tapou-se o sifão, encheu-se o lavatório e recolheram-se as amostras. Entre todas as utilizações do balde, copo e sonda, teve-se o cuidado de os enxaguar com água potável. Antes da recolha de cada volume de água (no ponto CANETAR, por exemplo), também se encheu e esvaziou o recipiente uma vez, antes da recolha definitiva. Outro aspeto que foi tido em consideração foi a colocação da sonda no balde/copo apenas depois de serem recolhidas as amostras. Refira-se que em todas as recolhas foram registados os parâmetros medidos pela sonda paramétrica (Anexo V), exceto na primeira recolha feita no ponto CANETAR (devido a dificuldades logísticas). O procedimento adotado na recolha das amostras para análise da razão isotópica baseou-se nas indicações da SIIAF: retirou-se um pequeno volume de água com uma seringa e, usando um filtro descartável, filtrou-se a amostra in situ, para dentro de um tubo Eppendorf (com o cuidado de o encher até cima). De seguida apresentam-se duas fotografias tiradas na campanha, onde se vê a utilização da seringa e filtro (Figura 6.6) e a medição com a sonda paramétrica (Figura 6.7). Figura 6.6: Recolha de uma amostra para análise de isótopos no ponto AF1. Figura 6.7: Medição com a sonda paramétrica no ponto AP1. 79

104 Apresentação e análise de resultados Notas iniciais Nos subcapítulos seguintes apresentam-se e discutem-se os principais resultados obtidos pela aplicação do método de nível II, sendo proposto um intervalo de valores para a infiltração no Caneiro de Alcântara. Primeiramente, os resultados são analisados sob dois pontos de vista: por ponto de medição e por fonte de água. Depois, e com base nessa análise, é estudada a infiltração na secção CANETAR. Antes de prosseguir, é preciso referir que um dos pontos de amostragem, AF1, não pôde ser considerado na análise de infiltração. Os resultados das análises de CQO mostraram que esta água estava altamente contaminada com matéria orgânica (Anexo V), não podendo por isso ser usada como valor de referência para águas freáticas. Assim, consideraram-se apenas dois pontos de águas freáticas, AF2 e AF3, dos quais apenas o primeiro é representativo (em número), uma vez que foram apenas recolhidas duas amostras no ponto AF3 ao longo de toda a campanha Análise por ponto de medição A primeira etapa da análise de resultados consistiu em verificar a coerência dos valores de obtidos em cada ponto de medição, nos diferentes dias e horas da campanha. Pretendeu-se verificar se existiam padrões horários ou diários e identificar possíveis outliers. Os resultados apresentam-se nas Figuras 6.8. a 6.12 da página seguinte. Verifica-se que não existe um padrão claro em nenhum dos pontos analisados, verificando-se apenas uma coerência grande nos valores medidos no ponto AP1. Na secção CANETAR, os resultados obtidos aproximadamente na mesma hora mas, em dias diferentes, apresentam grandes variações. Destacam-se as diferenças dos valores da razão obtidos nos dias 22 e 23 e observa-se ainda a existência de um outlier. Esse valor, correspondente à primeira medição do dia 22, será excluído da restante análise. Relativamente às fontes de água potável, nos dois pontos (AP1 e AP2) verificou-se que a razão isotópica medida no dia 22 foi inferior à medida no dia 23, em todas as amostras analisadas. Não obstante, a irregularidade é maior no ponto AP2. Com base no que foi acima referido sugere-se que, na análise da infiltração, seja usado o valor médio da razão isotópica das fontes de água potável e freática, e não os valores pontuais. Para além das vantagens práticas, esta hipótese tem alguma fundamentação física uma vez que se espera que a razão das águas freáticas e águas potáveis seja praticamente constante no tempo. À semelhança do que foi proposto por De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b), a fração de infiltração pode ser calculada usando os valores reais de águas residuais, obtidos em cada amostra recolhida, e os valores médios de águas freáticas e potáveis. Refira-se ainda que se estudaram duas hipóteses: usar as médias diárias ou a média global dos três dias (Anexo V). Como não foram recolhidas, em todos os locais, amostras ao longo dos três dias (no ponto AF3 só se recolheram amostras no dia 22, por exemplo), optou-se pela segunda hipótese. 80

105 18 O ( ) 18 O ( ) 18 O ( ) 18 O ( ) 18 O ( ) AF AF :30 7:30 10:30 13:30 16:30 Hora 22/jul 23/jul 24/jul Figura 6.8: Valores de 18 O medidos no ponto AF2, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho :30 7:30 10:30 13:30 16:30 Hora 22/jul Figura 6.9: Valores de 18 O medidos no ponto AF3, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho AP AP :30 7:30 10:30 13:30 16:30 Hora 22/jul 23/jul 24/jul Figura 6.10: Valores de 18 O medidos no ponto AP1, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho :30 7:30 10:30 13:30 16:30 Hora 22/jul 23/jul Figura 6.11: Valores de 18 O medidos no ponto AP2, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho CANETAR :30 7:30 10:30 13:30 16:30 Hora 22/jul 23/jul 24/jul Figura 6.12: Valores de 18 O medidos na secção CANETAR, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho. 81

106 18 O ( ) Análise por fonte de água Depois de ter sido analisada a variação temporal das razões isotópicas medidas nesta campanha, falta analisar a sua variação espacial. Não se esperava que existisse uma constância nos valores de medidos no Caneiro de Alcântara (e por isso não se faz referência a essa origem de água neste subcapítulo), mas esperava-se que isso acontecesse nos pontos de águas freáticas e potáveis. Como mostra a Figura 6.13, as razões isotópicas medidas nas duas fontes de água freática (AF2 e AF3) são muito semelhantes. Apesar da água do ponto AF3 ter origem numa nascente em Belas (fora da bacia), tem uma razão isotópica muito semelhante à água freática medida no ponto AF2. Considera-se assim razoável não distinguir as duas fontes (AF2 e AF3) e usar o valor médio de todas as medições para estimar a infiltração. Em campanhas futuras não será necessário voltar a recolher amostras nas duas fontes, bastando analisar de uma delas. Pode ser interessante, no entanto, recolher amostras de águas freáticas noutros locais, de modo a verificar se o valor de é constante em toda a área da bacia AF3 AF2 (22/07) AF2 (23/07) AF2 (24/07) :30 11:30 14:30 17:30 Tempo (h) Figura 6.13: Comparação dos valores de 18 O medidos nas duas fontes de água freática nos dias 22, 23 e 24 de Julho de Contrariamente ao que acontece com as águas freáticas, as razões isotópicas obtidas nos pontos AP1 e AP2 denunciam uma variabilidade espacial que não era espectável. Sabendo que toda a água distribuída na bacia em estudo tem a mesma origem (como foi referido no Capítulo 5), seria de esperar que a razão isotópica medida em qualquer torneira ou fontanário (dentro da bacia) fosse muito semelhante. No entanto, verifica-se que os valores de no ponto AP1 foram, em todas as medições, superiores aos medidos no ponto AP2 (Figura 6.14). Apesar de poder parecer uma diferença pequena (em média, 0.30 ), tem uma grande influência na estimativa da infiltração, uma vez que a fração de infiltração ( ) é muito sensível a pequenas variações da razão. Refira-se que se optou por apresentar, na Figura 6.14, a evolução da razão ao longo dos três dias de campanha (e não em formato horário, como na Figura 6.13) porque se torna mais clara a diferença entre os dois pontos de medição. 82

107 18 O ( ) AP1 AP2 Média (AP1+AP2) Tempo (data e hora) Figura 6.14: Comparação dos valores de 18 O medidos nas duas fontes de água potável nos dias 22, 23 e 24 de Julho de 2013, e respetivo valor médio Estimativa da infiltração no Caneiro de Alcântara A estimativa da infiltração na secção CANETAR do Caneiro de Alcântara foi feita através da aplicação do método dos isótopos proposto por De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b), tal como descrito no subcapítulo 4.2. O valor de medido nos pontos AF2 e AF3 serviu como valor de referência para a componente de infiltração, δ inf, e o medido nos pontos AP1 e AP2 serviu como valor de referência para a componente de águas residuais, δ AR. A razão isotópica obtida no Caneiro (CANETAR) é a parcela total, representada por δ T. O Quadro 6.6 apresenta as nomenclaturas que passarão a ser usadas a partir deste ponto do trabalho. Quadro 6.6: Relação entre os pontos de medição e a nomenclatura usada na aplicação ao método dos isótopos. Origem Ponto de medição Nomenclatura Potável Freática AP1 AP2 AF2 AF3 δ AR δ inf Residual total CANETAR δ T Relembrem-se ainda três considerações importantes, resultantes da análise feita até este subcapítulo: O ponto AF1 não foi incluído na análise da razão isotópica. A primeira medição no ponto CANETAR (09:30 de dia 22 de Julho, 2013) foi excluída, uma vez que se considera ser um outlier. A razão isotópica obtida nas várias amostras de água potável e água freática foi convertida em valores médios, independentes do dia, hora ou local de medição. 83

108 18 0 ( ) Seguindo a metodologia de nível II, começou-se por aplicar a equação (4.9) aos valores de obtidos em cada amostra recolhida da secção CANETAR. Calculou-se, assim, a fração da infiltração (relativamente ao caudal total) que atravessou essa secção num determinado instante. Depois, aplicou-se a equação (4.10) para determinar o erro e verificar se o método dos isótopos podia ser aplicado em todas as situações. Relembre-se que este método não deve ser aplicado em casos onde a razão seja superior a 1 (De Bénédittis e Bertrand-Krajewski 2004b). Verificou-se que três das amostras não cumpriam este critério, tendo-se optado pela exclusão destes valores da restante análise. Esta decisão não se baseou cegamente no critério de De Bénédittis e Bertrand-Krajewski (2004b), mas também na sua interpretação. As situações em que se obtém uma razão superior a 1 correspondem a casos em que a infiltração estimada é muito reduzida, questionando-se assim a validade da análise da razão isotópica. Excluindo o outlier e os três casos acima referidos, obteve-se o cenário apresentado na Figura AR Total -5.0 Águas residuais -4.5 T inf Infiltração Tempo (data e hora) Figura 6.15: Valores de 18 O medidos na secção CANETAR, e valores médios de referência para águas residuais e infiltração. Verifica-se que todos os valores medidos no Caneiro estão compreendidos entre os valores de referência de água residual e de infiltração, o que valida a aplicação do método dos isótopos. No entanto, e comparativamente com outros casos de estudo, os valores da razão isotópica das três origens de água são muito próximos. Isto faz com que pequenas variações no valor de conduzam a grandes variações no valor de estimado. Segundo a SIIAF, o erro associado à análise isotópica em laboratório foi, neste caso, de Uma margem de mais ou menos este valor em cada medição de δ T é suficiente para provocar uma variação de cerca de 7% no valor de. Existem ainda outros fatores de erro associados à aplicação do método dos isótopos, que serão em parte abordados no subcapítulo

109 Q (m 3 /s) Relativamente aos resultados da Figura 6.15, refira-se ainda que se verifica que durante a madrugada os valores de δ T se afastam ligeiramente dos valores de δ AR, o que poderá ser causado pela redução das descargas de águas residuais domésticas nesse período. Conhecidos os valores da fração de infiltração em vários instantes, basta multiplicá-los pelo caudal total registado na secção CANETAR (no mesmo instante) para obter o caudal de infiltração. Uma vez que não se teve acesso aos dados de caudal relativos aos dias 22, 23 e 24 de Julho a tempo da entrega desta dissertação, utilizaram-se os valores do ano padrão, apresentados no nível I (Figura 6.4). Refira-se que o padrão corresponde à secção ALC200 (localizada junto ao Aqueduto das Águas Livres) e não à secção onde foram recolhidas as amostras. Idealmente deveriam ser usados os valores reais do caudal medido na secção CANETAR, nos instantes em que foram retiradas as amostras. No entanto, como se trata de um trabalho académico e sendo as duas secções muito próximas, considerou-se razoável recorrer a estes dados. A Figura 6.16 mostra o padrão diário do caudal médio total registado na secção ALC200 (obtido com dados de Julho de 2012 a Julho de 2013) e os valores estimados para o caudal de infiltração em cada instante, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Tempo (h) Caudal total (padrão) Infiltração (22/07) Infiltração (23/07) Infiltração (24/07) Figura 6.16: Relação entre o caudal padrão na secção ALC200 e os caudais de infiltração medidos nos dias 22, 23 e 24 de Julho (2013). A Figura 6.16 mostra que o caudal de infiltração não se manteve constante ao longo do tempo, variando entre 0.18 e 0.61 m 3 /s. Também nos casos de estudo de Ecully e Rümlang, apresentados no Capítulo 3, se tinha verificado o mesmo fenómeno (Figura 3.7 e Figura 3.8). Estes resultados contrariam o que se expôs no Capítulo 2, onde se referiu que a infiltração de águas subterrâneas deveria ser constante ao longo do tempo (Figura 2.3). As flutuações no caudal de infiltração poderão dever-se à variação do nível de água no interior do coletor, à variação da posição do nível freático, à descarga voluntária de águas subterrâneas (para drenagem de caves, por exemplo), ou a outras descargas de origem desconhecida. Neste caso, como os valores obtidos se reportam a dias de tempo seco (e de Verão), pensa-se que não terão ocorrido variações significativas na posição do 85

110 nível freático. Dadas as características geométricas do Caneiro de Alcântara, também não se espera que a variação do nível de água no Caneiro tenha tido uma influência relevante. Não obstante, o caudal de infiltração que aflui à secção CANETAR pode entrar nos coletores em qualquer ponto do sistema em alta de Alcântara, pelo que é difícil, sem proceder a um trabalho de análise mais detalhado, encontrar motivos concretos para as variações apresentadas na Figura No Quadro 6.7 apresentam-se os parâmetros chave da aplicação da metodologia de nível II ao presente caso de estudo, nomeadamente os valores de obtidos em cada amostra recolhida, o respetivo fator de infiltração, a análise do erro associado a esse fator e, por fim, o caudal de infiltração e o caudal de águas residuais (excluindo a infiltração). Cada linha do referido quadro refere-se ao dia e à hora a que foi recolhida uma determinada amostra na secção CANETAR. Excetuam-se os casos das razões isotópicas e, para as quais são apresentados valores médios, e o caudal padrão, que não foi o registado no instante da recolha. Quadro 6.7: Parâmetros utilizados na aplicação do nível II à secção CANETAR e resultados obtidos para cada instante de recolha de amostras na referida secção. Data (dia e hora) ( ) b b b/b Q padrão Q inf Q AR AR * inf * (-) (-) (-) (m 3 /s) (m 3 /s) (m 3 /s) 22/7/13 16: /7/13 05: /7/13 06: /7/13 07: /7/13 09: /7/13 11: /7/13 14: /7/13 05: /7/13 06: /7/13 07: *Valor médio De forma semelhante ao apresentado anteriormente na Figura 3.7, apresenta-se na Figura 6.17 a distinção entre a contribuição das componentes de infiltração e água residual para o caudal total, na secção CANETAR. As colunas representam o resultado obtido em cada amostra recolhida, por ordem horária (não considerando o dia, que vem referido entre parênteses). Os mesmos dados são apresentados na Figura 6.18 sob a forma de um hidrograma que abrange um período entre as 05:00 e as 16:00 h. Na construção do referido hidrograma usou-se o valor médio dos resultados dos dias 23 e 24 de Julho para as 05:00, 06:00 e 07:00 horas. 86

111 Q (m 3 /s) Q (m 3 /s) Águas residuais Infiltração :00 (23) 05:00 (24) 06:00 (23) 06:00 (24) 07:00 (23) 07:00 (24) 09:30 (23) 11:00 (23) 14:00 (23) 16:00 (24) Tempo (hora e dia) Figura 6.17: Contribuição das componentes de infiltração e água residual para o caudal total que aflui à secção CANETAR. No eixo horizontal apresenta-se a hora e, entre parentises, o dia de Julho em que foi feita a medição Águas residuais Infiltração :00 06:00 07:00 09:30 11:00 14:00 16:00 Tempo (h) Figura 6.18: Hidrograma que mostra a contribuição das componentes de infiltração e águas residuais para o caudal total que aflui à secção CANETAR. Tal como tinha sido referido no Capítulo 4, o modelo de nível II garante algum rigor nos resultados, mas permite obter apenas estimativas pontuais do caudal de infiltração. Os resultados apresentados no Quadro 6.7 e nas Figura 6.17 e Figura 6.18 referem-se apenas ao volume de água infiltrada que atravessou a secção CANETAR no instante em que foi recolhida cada amostra. Se as recolhas tivessem sido horárias ou igualmente distribuídas ao longo dos dias (em intervalos de 4 ou 6 horas, por exemplo), o valor médio dos caudais de infiltração representaria, de forma relativamente segura, o caudal médio diário de infiltração. No entanto, e como mostra a primeira coluna do Quadro 6.7, as recolhas feitas na campanha de 22 a 24 de Julho (e que foram posteriormente validadas pela análise da incerteza) apresentam uma distribuição espacial considerável. Para além dos intervalos entre cada recolha serem irregulares, há horas do dia em que se conhecem dois valores de (05:00, 06:00 e 07:00 h), horas em que existe apenas um (09:30, 11:00, 14:00 e 16:00 h), e um grande intervalo em que não existe qualquer registo (entre as 16:00 h e as 05:00 h). Assim, a média dos caudais de 87

112 infiltração apresentados no Quadro 6.7 não descreve a infiltração média diária nos dias 22, 23 e 24 de Julho, mas apenas a média dos valores de caudal de infiltração correspondentes a cada amostra. Apesar disso, e na ausência de dados que permitam corrigir o referido problema, optou-se por se considerar o valor médio do caudal de infiltração. Considerando o potencial fator de erro descrito no parágrafo anterior, apresentam-se no Quadro 6.8 os valores médios do caudal de infiltração e do caudal de tempo seco (de águas residuais, excluindo a infiltração). Este segundo parâmetro foi obtido subtraindo ao caudal médio total em tempo seco (obtido do padrão de caudais na secção ALC200) o caudal médio de infiltração. No mesmo quadro apresenta-se a fração de infiltração em relação ao caudal total,, e em relação ao caudal de tempo seco,. Quadro 6.8: Valores médios do caudal total, caudal de infiltração e caudal de águas residuais e frações de infiltração obtidos pela metodologia de nível II, na secção CANETAR. (m 3 /s) (m 3 /s) (m 3 /s) (-) (-) Concluiu-se que o caudal médio de infiltração, obtido através da aplicação do método de nível II aos valores de razões isotópicas medidos na campanha de 22, 23 e 24 de Julho, de 2013 foi de 0.30 m 3 /s. Esse valor corresponde a 34% do caudal de tempo seco (excluindo a infiltração) e a 25% do caudal total, e pode ser adotado, à falta de dados que permitam uma estimativa melhor, como um valor de referência para a infiltração média em tempo de Verão na secção CANETAR. Considerando que esta é a secção mais a jusante da bacia, a estimativa obtida poderá também ser representativa da infiltração total na Zona Alta da bacia de Alcântara. É de salientar que os resultados apresentados no Quadro 6.8 são afetados pelo facto de não se conhecer o caudal nos dias da campanha. Como os dados de caudal não se referem à mesma secção nem ao mesmo período da campanha, optou-se por usar o caudal médio total do padrão e não apenas a média dos valores de caudal em cada instante de recolha. Consequentemente, o caudal de águas residuais e a fração apresentados no Quadro 6.8 não são iguais à média dos valores do Quadro 6.7, apesar de serem semelhantes (Anexo V, Quadro A V-8). Apesar dos caudais de infiltração obtidos apresentarem valores extremos muito dispersos (0.18 e 0.61 m 3 /s), verifica-se que a maioria dos registos se aproxima do valor médio. Por isso, em vez de só se apresentar um valor médio de infiltração para a época de Verão, entendeu-se apresentar um intervalo no qual se incluem 90% dos valores registados. Assim, pode-se admitir que o caudal total infiltrado na Zona Alta da bacia de Alcântara, em tempo de Verão, assume um valor provável entre 0.18 e 0.36 m 3 /s (face à condição de 90% destes valores se encaixarem nesse intervalo), como mostra a Figura

113 Q (m 3 /s) Infiltração média Limite superior Limite inferior Infiltração (22/07) Infiltração (23/07) Infiltração (24/07) :00 06:00 12:00 18:00 00:00 Tempo (h) Figura 6.19: Caudais de infiltração medidos na secção CANETAR em diversos instantes dos dias 22, 23 e 24 de Julho (2013), valor médio e limites superior e inferior. Depois de estimados os caudais de infiltração, e seguindo o nível II, deveria ser calculado o erro associado a cada caudal, através da equação (4.11). No entanto, como não se estão a usar os dados reais de caudal, e uma vez que o erro do caudal total ( ) é muito elevado (porque os valores dos caudais usados para construir o padrão são muito dispersos), considerou-se que a análise do erro do caudal infiltrado não teria sentido, neste caso Potencialidade da aplicação do sistema de modelos de nível III A construção de um modelo de simulação bem calibrado é um processo que exige um grande investimento de tempo e de recursos humanos e financeiros, pelo que não seria viável fazê-lo no âmbito desta dissertação. No entanto, faz-se nos próximos parágrafos uma breve referência à potencialidade da aplicação do nível III ao caso de estudo. A aplicação do nível III ao sistema de drenagem de Alcântara é possível, mas extremamente complexa. A bacia ocupa uma área significativa e as características da rede (tipo de sistema adotado, traçado, materiais e secções, entre outros) variam muito consoante o local, tal como foi referido no subcapítulo 5.1. É difícil, mesmo para as entidades gestoras, conhecer os caudais afluentes a cada troço do Caneiro de Alcântara, assim como a sua origem. Para além do sistema de drenagem, também o sistema natural da bacia é complexo e há uma grande escassez de dados. Por exemplo, não existe um registo dos níveis de água subterrânea que possa ser usado, o que significa que teriam de ser realizadas campanhas de medição para calibrar o submodelo do aquífero. No âmbito desta dissertação, a CML esclareceu que, apresar de serem frequentemente realizados furos para a medição de níveis freáticos em locais onde se pretenda construir, os dados não são fiáveis. A justificação é que a construção altera o nível medido nas campanhas iniciais, principalmente no caso de existirem caves. Acrescenta-se ainda que a elevada densidade de edificação existente na bacia torna pouco fiável o uso de valores do nível natural de 89

114 água subterrânea, nomeadamente devido à falta de informação relativa aos caudais bombados em caves e à alteração do fluxo natural da água em profundidade. Em vez de ser vista apenas como um problema, a complexidade do caso de estudo da Zona Alta de Alcântara pode justificar o investimento na construção e calibração de um sistema de modelos de nível III. A sua aplicação permitiria não só conhecer o fenómeno de infiltração na bacia como ainda compreender melhor o comportamento do próprio sistema de drenagem. O estado estrutural do sistema, por exemplo, pode ser avaliado a partir da análise dos resultados de um modelo de infiltração. Também se podem tirar conclusões relativamente à eficácia das soluções adotadas (a nível dos materiais, traçados, etc.) e à necessidade de proceder à reabilitação do sistema (e, em caso afirmativo, em que áreas). Por fim, refira-se que o sucesso da aplicação do nível III depende dos recursos materiais, do tempo disponível, e da constituição de uma equipa multidisciplinar. Idealmente devem envolver-se as autoridades locais e envolver peritos de diferentes áreas, nomeadamente saneamento, geologia, hidrologia, tecnologias de informação, informática, entre outras Análise de resultados Para concluir o presente capítulo analisam-se, nos próximos parágrafos, os resultados da aplicação dos modelos de nível I e II ao caso de estudo do Caneiro de Alcântara. No presente caso de estudo verificou-se que o caudal médio de infiltração obtido pela aplicação do nível I foi muito próximo do obtido no nível II (respetivamente de 0.31 e 0.30 m 3 /s). Neste tipo de situações, em que o resultado é semelhante, o modelo de nível II pode ser usado para verificar a viabilidade da aplicação do nível I. No Caneiro de Alcântara, apesar de todas as hipóteses admitidas na aplicação da metodologia proposta, e na falta de melhores resultados, poder-se-á admitir que se confirmou a aplicabilidade do modelo de nível I. Adicionalmente, o facto de os valores serem próximos pode indicar que a infiltração média na Zona Alta da bacia de Alcântara ronda, efetivamente, o valor de 0.30 m 3 /s. Note-se, no entanto, que este pressuposto não é rigoroso e que podem existir variações. A interpretação e o rigor das estimativas obtidas implica a análise da qualidade dos dados usados. A série de caudais analisada no nível I tem valores muito dispersos, sendo elevado o desvio padrão dos dados medidos em cada 15 minutos. O padrão diário de caudais tem, no entanto, valores de caudal muito constantes, e não se verifica uma descida brusca nos valores durante o período noturno. Relativamente aos valores da razão obtidos no método de nível II, não se verificou uma diferença significativa entre a composição de cada origem de água. Consequentemente, e como foi referido no subcapítulo 6.3, pequenas variações no valor da razão isotópica causam variações significativas na fração de infiltração obtida. Por este motivo, e face aos resultados até agora disponíveis, não se pode garantir um nível de rigor elevado nas estimativas obtidas pela aplicação do nível II ao caso de estudo do Caneiro de Alcântara. 90

115 Existem inúmeros fatores de erro associados a todos os níveis da abordagem metodológica. Há um grande desconhecimento em relação aos caudais descarregados na Zona Alta de Alcântara. O sistema é muito grande e afluem ao Caneiro tubagens com características muito diferentes, em termos de idade, nível de conservação ou do tipo de sistema, por exemplo. Os caudais industriais e as descargas não licenciadas também complicam a análise do caudal, devido à sua imprevisibilidade. Por se tratar de uma ribeira natural, há diversos cursos de água canalizados que são deliberadamente descarregados no Caneiro de Alcântara e que serão considerados, em qualquer das análises, como caudal infiltrado. Acrescem também os erros associados ao desconhecimento que ainda existe em relação à análise isotópica. A campanha dos dias 22, 23 e 24 de Julho foi realizada sem que houvesse uma grande experiência anterior, pelo que a falta de conhecimento prático pode ter conduzido a alguns erros que influenciaram os resultados. Os valores obtidos em laboratório são muito próximos e apresentam variações no tempo e no espaço (como referido em 6.3) que não eram expectáveis. Inicialmente, pensou-se que as razões isotópicas podiam ter sido adulteradas pelas condições de conservação e transporte, ao longo dos dias de campanha. A temperatura dentro da geleira onde foram armazenadas as amostras pode ter ultrapassado os 4 ºC, uma vez que os dias de campanha foram marcados por temperaturas exteriores elevadas. No entanto, segundo informações da SIIAF, o único fenómeno que pode adulterar a razão isotópica é a ocorrência de condensações, e tal seria apenas possível se os frascos estivessem mal fechados (não foi o caso). O erro da análise da razão em laboratório também influencia significativamente o cálculo do fator de infiltração. No caso de estudo analisado, este erro foi de 0.07, o que é suficiente para distorcer, em parte, os resultados obtidos, principalmente porque a diferença entre as razões isotópicas das três origens de água é muito reduzida. Por fim, salienta-se que o investimento necessário à aplicação do modelo nível I é muito inferior ao necessário à aplicação dos níveis II e III, bastando ter acesso a dados de séries de caudal, em uma ou mais secções, e registos de precipitação (para distinguir os dias de tempo seco). A exigência de dados no nível II é superior. Para além dos dados de caudal e precipitação, é necessário proceder a medições pontuais da razão isotópica em diversos locais da bacia, ao longo de vários dias. A realização de trabalhos de campo, campanhas e recolha de amostras requer a disponibilidade de materiais e recursos humanos com algum grau de especialização. O sucesso da campanha realizada no âmbito desta dissertação dependeu da presença de operadores da SIMTEJO nos locais de recolha de amostra, assim como do conhecimento prévio dos técnicos envolvidos relativamente ao procedimento prático a adotar na recolha de amostras. Quando comparado com a recolha de amostras para análise de CQO, por exemplo, o processo é muito menos expedito. Adicionalmente, como a análise da razão não é uma prática comum, tem de se recorrer a laboratórios especializados, o que também dificulta a logística da aplicação do nível II. 91

116 92

117 7. Conclusões e perspetivas de trabalhos futuros A infiltração é um processo complexo e que, para ser analisado com rigor, exige um estudo exaustivo do sistema de drenagem e do meio físico envolvente. Os métodos convencionais, usados regularmente para quantificar a infiltração em coletores urbanos, não consideram a hidrogeologia local e, devido a algumas das hipóteses e simplificações assumidas, conduzem muitas vezes a estimativas pouco rigorosas da infiltração. Não obstante, os resultados obtidos nesta dissertação (Capítulo 6), não denunciam uma diferença significativa entre a estimativa da infiltração obtida pela aplicação de métodos analíticos convencionais (modelo de nível I) e a estimativa obtida pela aplicação do método dos isótopos, não convencional (modelo de nível II). A aplicação do modelo de nível I ao caso de estudo do Caneiro de Alcântara resultou na obtenção de um caudal médio de infiltração de 0.31 m 3 /s. Relembre-se que este valor foi estimado partindo do pressuposto que o fator de ponta mínimo doméstico na bacia era Aplicando o modelo de nível II, baseado no método dos isótopos, concluiu-se que o caudal médio de infiltração na secção CANETAR (localizada no Caneiro de Alcântara, próximo da ETAR) foi de cerca de 0.30 m 3 /s, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho de Os resultados obtidos pela aplicação do nível II mostraram ainda que a infiltração no Caneiro de Alcântara, nos referidos dias, não foi constante ao longo do tempo. Fatores como a variação da posição do nível freático, variação da altura de escoamento no interior do Caneiro ou descargas devidas à drenagem de caves podem estar na origem destas flutuações. A proximidade entre os valores encontrados pela aplicação dos modelos de nível I e II deve ser interpretada com cuidado, uma vez que foram adotadas várias hipóteses simplificativas. Ainda assim, poder-se-á assumir que, segundo os resultados obtidos nesta dissertação, o caudal médio de infiltração na Zona Alta da bacia de Alcântara, em tempo seco e no Verão, deverá ser próximo de 0.30 m 3 /s. A solução para obter uma estimativa correta e rigorosa da infiltração em Alcântara pode passar pela construção, calibração e validação de um modelo de simulação, semelhante ao proposto no nível III. A construção e calibração deste tipo de modelo exige um investimento de tempo muito elevado, um levantamento rigoroso das características do sistema e um estudo exaustivo das características naturais da bacia. Adicionalmente, é necessário dispor de técnicos qualificados e, idealmente, envolver peritos de diferentes áreas disciplinares (saneamento, geologia e hidrologia, por exemplo). Apesar de todas as exigências, um modelo de simulação permitiria prever a quantidade de infiltração e tomar decisões, adotando medidas preventivas ou de conservação. O estudo realizado nesta dissertação conduziu a um resultado que, apesar de não se relacionar diretamente com o tema da infiltração, merece ser referido. Verificou-se que o fator de ponta máximo apresentado no Decreto Regulamentar 23/95 e obtido pela equação (4.4), com base em estimativas da população, tem um valor demasiado elevado e que se mostrou ser incompatível com os valores de caudal de tempo seco analisados. Consequentemente, concluiu-se que a aplicabilidade da referida 93

118 equação é questionável, principalmente no caso de bacias urbanas complexas ou de grandes dimensões. No subcapítulo 6.4 identificaram-se alguns problemas relacionados com a aplicação prática do modelo de nível II, nomeadamente a nível do planeamento de campanhas de recolha de amostras para análise da razão isotópica. Para os corrigir e melhorar, sugere-se que sejam adotadas, em campanhas futuras, duas novas estratégias. A primeira é transportar uma amostra com razão isotópica conhecida ao longo das campanhas e voltar a medi-la no final, de forma a verificar se existe ou não influência da temperatura (ou de outros fatores) no valor da razão isotópica. A segunda estratégia passa por fazer análises triplicadas, de forma a ter maior segurança nos valores obtidos em laboratório. Outra sugestão para futuras aplicações do método dos isótopos à bacia de Alcântara (ou a outras bacias de grades dimensões) é aumentar o número e a distribuição espacial dos locais de recolha de amostras de águas freáticas e águas potáveis. Esta medida poderia ajudar a esclarecer as diferenças encontradas nas duas fontes de água potável analisadas na Zona Alta da bacia de Alcântara e confirmar a uniformidade espacial da razão isotópica das águas subterrâneas locais. Num âmbito mais geral, devem ser tomadas ações que permitam controlar e minimizar o fenómeno da infiltração, nomeadamente em secções, trechos ou zonas da rede de drenagem onde os caudais de infiltração, estimados pela aplicação da metodologia proposta, sejam elevados. Nessas situações, sugere-se que sejam realizados trabalhos de reabilitação, ampliação e conservação do sistema de drenagem. A reabilitação dos sistemas pode levar a uma redução de mais de 20% da infiltração de água subterrânea (Staufer et al. 2012). A título de exemplo, refira-se que uma reabilitação pioneira de um sistema de drenagem, levada a cabo muito recentemente em Seattle (EUA), levou a uma diminuição quase imediata de 66% do volume de afluências indevidas (Force 2013). A intervenção consistiu na injeção de uma mistura silicatada nos coletores do sistema, com objetivo de selar as fissuras existentes nas paredes. A mistura não foi aplicada em todos os troços da rede, mas estima-se que nas secções tratadas houve uma melhoria na prevenção da infiltração de cerca de 99%. As entidades gestoras deste sistema de drenagem esperam que a aplicação progressiva desta tecnologia estabilize as afluências indevidas num período de 15 a 20 anos. Medidas semelhantes têm sido aplicadas em diversos países, verificando-se que para todos os casos conhecidos, a reabilitação dos coletores levou à diminuição da infiltração de águas subterrâneas. Para concluir esta dissertação, reforça-se a importância de se continuar a investir no estudo do fenómeno da infiltração de águas subterrâneas em redes de drenagem. A nível internacional, tem-se investido na construção de modelos de simulação mais avançados e detalhados, que permitam entender melhor o processo de escoamento e tornem possível identificar as propriedades estruturais dos sistemas que mais influenciam o processo de infiltração. Em Portugal, este tema tem sido foi pouco explorado, e o nível de conhecimento ainda está aquém de outros países europeus, como a Suíça, França, Dinamarca ou Suécia. 94

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123 1

124 I.0

125 Anexo I Análise de caudais de tempo seco na secção ALC200 I.1

126 I. Análise de caudais de tempo seco na secção ALC200 I.0

127 Análise de caudais de tempo seco na secção ALC200 (Caneiro de Alcântara) Neste anexo apresenta-se parte do relatório desenvolvido no âmbito do estudo de caudais na Zona Alta da bacia de Alcântara e apresentado em Maio de 2013 I.1. Introdução Neste relatório apresenta-se o resumo do estudo do comportamento dos caudais de tempo seco da secção ALC200 do Caneiro de Alcântara. Pretende-se obter padrões de tempo seco que ajudem na compreensão do funcionamento do sistema de drenagem e na estimativa do caudal infiltrado. I.2. Dados de Caudal Foram usados valores de caudal cedidos pela SIMTEJO, medidos no Caneiro de Alcântara junto à entrada da ETAR (secção ALC200). Os dados usados são referentes ao período de 01/07/2012 a 07/04/2013 e foram medidos em intervalos de 5 minutos. Verificou-se que no referido período existiam sete dias sem qualquer registo de caudal (provavelmente devido a problema com o equipamento), nomeadamente 20, 21, 22, 23, 24 e 31 de Julho (2012) e 1 de Agosto (2012). Os dados referentes a esses dias não foram considerados, o que reduziu o número total de dias analisados (em termos de caudal e precipitação) para 274. I.3. Dados de precipitação e classificação de tempo seco, seco de transição e húmido Para os meses do ano de 2012 foram usados registos de precipitação de três postos udométricos diferentes: Pontinha, Beirolas e Instituto D. Luíz. O valor de precipitação diária considerado foi o maior dos registados em cada posto (por razões conservativas), o que não corresponde ao valor real da precipitação sobre a bacia em estudo. Para o ano de 2013 não foi possível ter acesso ao registo de dados nos postos da Pontinha e Beirolas (aquando da realização deste relatório), pelo que foram apenas usados os do Instituto D. Luíz. Com base no apresentado em Brito (2012), considerou-se que o tempo húmido se caracteriza pelos dias em que a precipitação foi superior a 0.25 mm. Assim, foram apenas considerados os dias em que se registou um valor mínimo de 0.25 mm em pelo menos um dos postos. O tempo seco de transição caracteriza-se pelos dias sem precipitação que precedem cada dia em que se registou precipitação. Considera-se que nestes dias o caudal registado ainda pode estar afetado pela precipitação dos dias anteriores. Apesar de em algumas fontes bibliográficas se sugerir um período de sete dias de transição entre tempo húmido e seco (Starr 2006), considerou-se que dadas as características da bacia e o tempo de concentração da bacia, seria mais razoável assumir um número de dias inferior. Nas abordagens apresentadas neste relatório experimentou-se usar um tempo de transição de um e dois dias. I.1

128 No Quadro A I-1 apresenta-se a precipitação total em cada mês analisado e a distinção entre o número de dias de tempo seco, seco-transição e húmido para cada mês, considerando 1 ou 2 dias de transição. Quadro A I-1: Análise mensal da precipitação. Mês Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Janeiro Fevereiro Março Abril Hipótese assumida (T trans=) Tempo seco Número de dias Tempo secotransição Temo húmido 2 dias dia dias dia dias dia dias dia dias dia dias dia dias dia dias dia dias dia dias dia Total P mensal (mm) 25 0, , , , , , , , , ,70 Total 2 dias dia I.4. Abordagem I: Caudais horários e T trans = 2 dias Numa primeira fase de análise, converteram-se os registos em caudais médios horários. Foram apenas considerados os casos com pelo menos 5 registos de caudal numa hora, tendo os restantes sido considerados como não representativos. Nesta primeira abordagem assumiu-se um tempo seco de transição de 2 dias, o que leva à separação apresentada no Quadro A I-2. Quadro A I-2: Número de dias de tempo húmido, seco de transição e seco, para T trans= 2 dias. Número total de dias Húmido Seco de transição Seco I.2

129 Caudal (l/s) P (mm) Caudal (l/s) P (mm) Caudal (l/s) P (mm) Caudal (l/s) P (mm) Hidrogramas mensais De seguida apresentam-se os hidrograma mensais obtidos na Abordagem I. Para que fosse possível cruzar os dados de caudal (horários) com o registo de precipitação (diário), foram usados valores médios diários de caudais. Verifica-se uma correlação entre a ocorrência de precipitação e caudais máximos em todos os meses exceto em Julho. Recorda-se que a precipitação mensal total foi anteriormente apresentada no Quadro A I Dia Precipitação Caudal Dia Precipitação Caudal Figura A I-1: Hidrograma de Julho, 2012 Figura A I-2: Hidrograma de Agosto, Precipitação Dia Caudal Dia Precipitação Caudal Figura A I-3: Hidrograma de Setembro, 2012 Figura A I-4: Hidrograma de Outubro, 2012 I.3

130 Caudal (l/s) P (mm) Caudal (l/s) P (mm) Caudal (l/s) P (mm) Caudal (l/s) P (mm) Caudal (l/s) P (mm) Precipitação Dia Caudal Precipitação Dia Caudal Figura A I-5: Hidrograma de Novembro, 2012 Figura A I-6: Hidrograma de Dezembro, Dia Precipitação Caudal Precipitação Dia Caudal Figura A I-7: Hidrograma de Janeiro, Figura A I-8: Hidrograma de Fevereiro, Dia Precipitação Caudal Figura A I-9: Hidrograma de Março, I.4

131 Caudal (l/s) Padrão de tempo seco em cada mês De seguida apresenta-se o padrão de tempo seco de cada mês analisado. Como se pode verificar na Figura A I-10, há uma variação significativa dos valores do caudal horário em cada mês. No Quadro A I-3 resumem-se os valores de caudal médio, mínimo e máximo mensal :00 12:00 0:00 Tempo (h) jul/12 ago/12 set/12 out/12 nov/12 dez/12 jan/13 fev/13 mar/13 Figura A I-10: Padrão diário de tempo seco em cada mês (Abordagem I). Quadro A I-3: Valores característicos de caudal de tempo seco em cada mês (Abordagem I). Mês P mensal (mm) Caudal (m 3 /s) Mínimo Data Máximo Data Média Jul 0,30 0,96 14/07/2012 1,36 13/07/2012 1,27 Ago 10,20 0,54 24/08/2012 1,34 31/08/2012 1,18 Set 65,20 0,72 16/09/2012 1,29 13/09/2012 1,17 Out 144,70 0,54 06/10/2012 1,25 09/10/2012 1,08 Nov 280,40 0,68 14/11/2012 1,24 23/11/2012 1,06 Dez 173,20 0,88 12/12/2012 1,38 10/12/2012 1,21 Jan 155,10 0,93 05/01/2013 1,39 30/01/2013 1,19 Fev 64,40 0,88 27/02/2013 1,38 26/02/2013 1,26 Mar 267,30 0,87 02/03/2013 1,31 01/03/2013 1,12 Abr 32,70 <> <> <> <> <> Verifica-se que o caudal horário mínimo registado ocorreu em Outubro e o máximo em Janeiro. No entanto, os meses em que se registaram um total de precipitação máximo e mínimo foram Novembro e Julho, respetivamente. Padrão de tempo seco global Depois de analisar separadamente o comportamento dos caudais de tempo seco de cada mês, estudou-se o padrão de tempo seco global (que inclui indiferenciadamente todos os valores de caudal médio horário). Para o desenho do padrão global de tempo seco usou-se a média dos caudais médios em cada hora do dia (para cada hora calculou-se a média de todos os caudais medidos nessa hora, em tempo seco). Foi também desenhada a envolvente estatística para um intervalo de I.5

132 Caudal (m 3 /s) Caudal (l/s) confiança de 95%. Os resultados apresentam-se na Figura A I-11, e no Quadro A I-4 apresentam-se a média, mínimo e máximo de todos os valores horários :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Tempo (h) Caudal médio horário IC inferior Figura A I-11:Padrão diário de tempo seco (Abordagem I). Quadro A I-4: Caudal de tempo seco máximo, mínimo e médio (Abordagem I). Caudal (m 3 /s) Média total Mínimo Máximo 1,19 0,54 1,39 I.5. Abordagem II: Caudais de 15 minutos e com T transição = 2 dias Esta abordagem difere da anterior pelo rigor dos intervalos usados para calcular os caudais médios. Neste caso, em vez de se analisarem os valores médios horários, analisam-se as médias de cada 15 minutos. Isto faz com que o número de dados analisados aumente quatro vezes, o que poderá trazer um maior nível de detalhe a esta análise. No entanto, o número total de dias secos mantém-se o mesmo que o apresentado na Quadro A I-2, uma vez que o tempo de transição considerado continua a ser de 2 dias. De forma semelhante à Abordagem I, e sem que haja necessidade de explicações mais detalhadas, apresentam-se de seguida os resultados obtidos para a Abordagem II. A Figura A I-12 e o Quadro A I-5 referem-se à análise mensal e a Figura A I-13 e o Quadro A I-6 à análise global. Padrão de tempo seco em cada mês :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Tempo (h) Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Janeiro Fevereiro Março Figura A I-12: Padrão diario de tempo seco em cada mês (Abordagem II). I.6

133 Caudal (m 3 /s) Quadro A I-5: Valores característicos de caudal de tempo seco em cada mês (Abordagem II). Mês P mensal (mm) Mínimo (m 3 /s) Data Máximo (m 3 /s) Data Média (m 3 /s) Jul 0,30 0,81 14/07/2012 1,39 12/07/2012 1,27 Ago 10,20 0,50 24/08/2012 1,35 05/08/2012 1,18 Set 65,20 0,63 16/09/2012 1,31 12/09/2012 1,17 Out 144,70 0,43 06/10/2012 1,27 03/10/2012 1,08 Nov 280,40 0,56 14/11/2012 1,29 23/11/2012 0,53 Dez 173,20 0,83 12/12/2012 1,42 12/12/2012 1,21 Jan 155,10 0,85 04/01/2013 1,40 31/01/2013 1,19 Fev 64,40 0,79 27/02/2013 1,42 26/02/2013 1,26 Mar 267,30 0,82 01/03/2013 1,32 01/03/2013 1,12 Abr 15 32,70 <> <> <> <> <> Padrão de tempo seco global :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Tempo (h) Caudal médio 15min (2dias) IC inferior IC superior Figura A I-13:Padrão diário de tempo seco (Abordagem II). Quadro A I-6: Caudal de tempo seco máximo, mínimo e médio (Abordagem II). Caudal (m 3 /s) Média total Mínimo Máximo 1,19 0,43 1,42 I.6. Abordagem III: Caudais de 15 minutos e com T transição = 1 dia Os hidrogramas mensais apresentados na abordagem I mostram que o efeito da precipitação na rede de drenagem apenas é notado nas horas seguintes ao evento. Assim, parece razoável adotar uma nova abordagem e reduzir o tempo seco de transição para um dia. Ao fazer isso, obtêm-se um maior número de dias para análise de tempo seco, como se mostra no Quadro A I-7 (o número total de dias analisados continua a ser o mesmo, 274). 15 No mês de Abril não se registaram dias secos. I.7

134 Caudal (m 3 /s) Quadro A I-7: Número de dias de tempo seco, seco-transição e húmido considerando T transição= 1 dia. Tempo seco Tempo seco-transição Tempo húmido Mais uma vez, e de forma semelhante às Abordagem I e II, apresentam-se de seguida os resultados obtidos para a Abordagem III. A Figura A I-14 e o Quadro AI-8 referem-se à análise mensal e a Figura A I-15 e o Quadro A I-9 à análise global. Padrão de tempo seco em cada mês :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Tempo (h) Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Janeiro Fevereiro Março Abril Figura A I-14: Padrão diário de tempo seco em cada mês (Abordagem III). Quadro A I-8: Valores característicos de caudal de tempo seco em cada mês (Abordagem III). Mês P mensal (mm) Mínimo (m3/s) Data Máximo (m3/s) Data Média (m3/s) Jul 0,30 0,81 14/07/2012 1,39 12/07/2012 1,27 Ago 10,20 0,50 24/08/2012 1,35 05/08/2012 1,18 Set 65,20 0,63 16/09/2012 1,31 12/09/2012 1,17 Out 144,70 0,43 06/10/2012 1,27 03/10/2012 1,08 Nov 280,40 0,55 13/11/2012 1,31 06/11/2012 0,56 Dez 173,20 0,83 12/12/2012 1,46 09/12/2012 1,22 Jan 155,10 0,85 04/01/2013 1,45 29/01/2013 1,20 Fev 64,40 0,79 27/02/2013 1,42 26/02/2013 1,26 Mar 267,30 0,82 01/03/2013 1,32 01/03/2013 1,12 Abr 32,70 1,27 06/04/2013 1,63 06/04/2013 1,41 Padrão de tempo seco global Quadro A I-9: Caudal de tempo seco máximo, mínimo e médio (Abordagem III). Caudal (m 3 /s) Média total Mínimo Máximo 1,19 0,43 1,63 I.8

135 Caudal (m 3 /s) Caudal (m 3 /s) :00 6:00 12:00 Tempo (h) 18:00 0:00 Caudal médio 15min IC inferior IC superior Figura A I-15:Padrão diário de tempo seco (Abordagem III). I.7. Comparação das abordagens I, II e III Podem tirar-se várias conclusões da análise comparativa das três abordagens. A mais imediata é que a utilização de dados de caudal horário atenua as pequenas variações que existem ao longo da hora, como seria esperado. Pelo contrário, o padrão de tempo seco das abordagens II e III (onde foram usados caudais de 15minutos) já apresenta algumas oscilações. Na Figura A I-16 apresentam-se os padrões de tempo seco para cada uma das abordagens analisadas e no Quadro A1-10 resumem-se os resultados obtidos para as três abordagens Caudal médio horário Caudal médio 15min (1dia) Caudal médio 15min (2dias) :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Tempo (h) Figura A I-16:Comparação das três abordagens usadas. A Figura A I-16 mostra que é entre as 22:00h e as 10:00h que a diferença entre o uso do caudal horário e o de 15 minutos é mais significativa. Neste período ocorre uma diminuição significativa do caudal (aproximadamente 0,20m 3 /s) e há um claro desfasamento entre os dados de caudal horário e o de 15minutos. Quando o caudal diminui os valores horários são inferiores aos de 15minutos e o inverso acontece quando o caudal volta a aumentar. Esta diferença deve-se à definição de caudal I.9

136 Caudal (m 3 /s) horário adotada neste trabalho o caudal médio às 10:00h corresponde à média das medições existentes entre as 10:00h e as 11:00h. No entanto, se for assumido que o caudal médio às 10:00h corresponde à média das medições existentes entre as 09:00h e as 10:00h (e por aí em diante) continua a existir uma discrepância, como mostra a Figura A I-17. Neste caso o desfasamento é inverso, verificando-se que os valores horários são superiores ao de 15 minutos quando o caudal diminui. Quadro A I-10: Caudais máximos, mínimos e médios em cada mês, obtidos pelas diferentes abordagens. Mês Mínimo (m 3 /s) Abordagem I Abordagem II Abordagem III Máximo (m 3 /s) Média (m 3 /s) Mínimo (m 3 /s) Máximo (m 3 /s) Média (m 3 /s) Mínimo (m 3 /s) Máximo (m 3 /s) Média (m 3 /s) Jul 0,96 1,36 1,27 0,81 1,39 1,27 0,81 1,39 1,27 Ago 0,54 1,34 1,18 0,50 1,35 1,18 0,50 1,35 1,18 Set 0,72 1,29 1,17 0,63 1,31 1,17 0,63 1,31 1,17 Out 0,54 1,25 1,08 0,43 1,27 1,08 0,43 1,27 1,08 Nov 0,68 1,24 1,06 0,56 1,29 0,53 0,55 1,31 0,56 Dez 0,88 1,38 1,21 0,83 1,42 1,21 0,83 1,46 1,22 Jan 0,93 1,39 1,19 0,85 1,40 1,19 0,85 1,45 1,20 Fev 0,88 1,38 1,26 0,79 1,42 1,26 0,79 1,42 1,26 Mar 0,87 1,31 1,12 0,82 1,32 1,12 0,82 1,32 1,12 Abr <> <> <> <> <> <> 1,27 1,63 1,41 Total 16 0,54 1,39 1,19 0,43 1,42 1,19 0,43 1,63 1, Caudal médio horário Caudal médio 15min (1dia) Caudal médio 15min (2dias) :00 6:00 12:00 Tempo (h) 18:00 0:00 Figura A I-17:Comparação das três abordagens usadas, considerando o caudal horário como a média dos valores medidos na hora anterior. De facto, ao usar uma janela temporal horária não se consegue captar as variações do caudal ao longo da hora, o que pode ser particularmente decisivo em períodos com caudal pouco estável (como o período noturno). Torna-se assim inadequado recorrer aos caudais horários para estudar a infiltração e fica consequentemente excluída a Abordagem I. No entanto, é de referir que para o caso 16 Considerando todos os valores em conjunto (sem diferenciar o mês) I.10

137 em estudo e na falta de medições em intervalos temporais mais curtos, os caudais horários poderiam ser usados a partir das 10:00h (quando o caudal começa a estabilizar). Relativamente ao tempo de transição verifica-se que não há uma diferença significativa nos valores obtidos considerando 1 ou 2 dias. Tal como mostram os hidrogramas mensais atrás apresentados, o efeito da precipitação no caudal só se faz sentir nas horas imediatamente a seguir. Assim, não é razoável excluir os dados de caudal do segundo dia de transição, devendo os mesmos ser incluídos no tempo seco. Consequentemente, pode assumir-se um tempo de transição de um dia, para a bacia em estudo. Concluindo, a abordagem III é a que se apresenta como a melhor opção. Em estudos próximos relativos a estimativas de infiltração serão usados dados de caudal médio em intervalos de 15 minutos e um tempo de transição de um dia. Referências Brito, R. (2012). Monitorização de variáveis hidráulicas e da qualidade de água em sistemas de drenagem de águas residuais. Tese de Doutoramento em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal. Starr, M. (2006). An Improved Definition of Sewage Treatment Works Dry Weather Flow. Tynemarch Systems Gsagsgfsgf S S S S S S S S S S S S S S S s I.11

138 I.0

139 Anexo II Definição do padrão de caudais de tempo seco na secção ALC200

140 II. Definição do padrão de caudais de tempo seco na secção ALC200 II.2

141 No presente anexo apresentam-se os valores usados na construção do padrão de tempo seco para a secção ALC200 (Caneiro de Alcântara), e que se baseou na Abordagem III descrita no Anexo I. Foram usados dados de caudal em intervalos de 5 minutos, registados nos 208 dias de tempo seco que ocorreram entre 1 Julho de 2012 e 30 de Junho de No Quadro A II-1 apresentam-se a média, o desvio padrão, o valor máximo e o valor mínimo do conjunto de 208 valores de caudal (correspondentes aos 208 dias de tempo seco) relativos a cada 15 minutos do dia. Quadro A II-1: Valores médios, mínimos e máximos do caudal registado na secção ALC200 do Caneiro de Alcântara, entre Julho de 2012 e Junho de Caudal (m 3 /s) Caudal (m 3 /s) Hora Média Desvio Desvio Mínimo Máximo Hora Média Padrão Padrão Mínimo Máximo 00: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : II.1

142 Quadro A II-2: Caudal de tempo seco mínimo, máximo e médio registado ao longo dos 208 dias analisados. Caudal (m 3 /s) Mínimo Máximo Médio Quadro A II-3: Caudal de tempo seco mínimo, máximo e médio registado em de cada mês. Mês Caudal mínimo mensal (m 3 /s) Data Caudal máximo mensal (m 3 /s) Data Caudal médio mensal (m 3 /s) Julho /07/ /07/ Agosto /08/ /08/ Setembro /09/ /09/ Outubro /10/ /10/ Novembro /11/ /11/ Dezembro /12/ /12/ Janeiro /01/ /01/ Fevereiro /02/ /02/ Março /03/ /03/ Abril /04/ /04/ Maio /05/ /05/ Junho /06/ /06/ Quadro A II-4: Frequência dos caudais mínimos e máximos registados a cada 15 minutos. Mínimos Máximos Hora Frequência Percentagem Frequência Percentagem 00: % % 00: % % 00: % % 00: % % 01: % % 01: % % 01: % % 01: % % 02: % % 02: % % 02: % % 02: % % 03: % % 03: % % 03: % % 03: % % 04: % % 04: % % 04: % % 04: % % 05: % % 05: % % 05: % % 05: % % 06: % % 06: % % 06: % % 06: % % 07: % % 07: % % 07: % % 07: % % II.2

143 Mínimos Máximos Hora Frequência Percentagem Frequência Percentagem 08: % % 08: % % 08: % % 08: % % 09: % % 09: % % 09: % % 09: % % 10: % % 10: % % 10: % % 10: % % 11: % % 11: % % 11: % % 11: % % 12: % % 12: % % 12: % % 12: % % 13: % % 13: % % 13: % % 13: % % 14: % % 14: % % 14: % % 14: % % 15: % % 15: % % 15: % % 15: % % 16: % % 16: % % 16: % % 16: % % 17: % % 17: % % 17: % % 17: % % 18: % % 18: % % 18: % % 18: % % 19: % % 19: % % 19: % % 19: % % 20: % % 20: % % 20: % % 20: % % 21: % % 21: % % 21: % % 21: % % 22: % % 22: % % 22: % % 22: % % 23: % % 23: % % 23: % % 23: % % II.3

144 II.0

145 Anexo III Estimativa da população servida pelo sistema da Zona Alta da bacia de Alcântara II.1

146 III. Estimativa da população servida pelo sistema da Zona Alta da bacia de Alcântara III.2

147 Todos estudos de população consultados no âmbito desta dissertação estavam desatualizados, baseando-se, na maioria dos casos, nos resultados dos Censos 2001 (ou em outras projeções com mais de 10 anos). Com o objetivo de atualizar os dados de população, utilizaram-se os resultados dos últimos Censos (2011) e seguiu-se um procedimento semelhante ao usado por Vieira (2005). O referido procedimento pode ser descrito, simplificadamente, em três passos: 1) Cálculo da fração da área de cada freguesia dos concelhos da Amadora e Lisboa que pertence à bacia em estudo. Na presente dissertação recorreu-se a ferramentas ao programa ArcGIS, e à BGRI (Base Geográfica de Referenciação da Informação), como mostram as Figura A III-1 e Figura A III-2. 2) Admissão da hipótese de que a fração da população de cada freguesia que contribui para o sistema de drenagem corresponde, aproximadamente, à percentagem obtida em 1). Por exemplo, se 30% da área de uma dada freguesia está dentro dos limites da bacia, então 30% da sua população contribui para o caudal total da rede de drenagem. 3) Multiplicação dos dados de população residente, obtidos nos Census 2011, pela área pertencente à bacia, para cada freguesia dos concelhos da Amadora e Lisboa. Aplicando esta metodologia obteve-se uma estimativa para a população residente total de cerca de , sendo os resultados específicos de cada freguesia apresentados no Quadro A III-1. Verificou-se que 57% dos habitantes pertencem ao concelho de Lisboa, sendo os restantes 43% residentes na Amadora. Quadro A III-1: Estimativa da população servida pelo sistema de Alcântara (norte), por concelho e freguesia. Concelho Freguesia Área abrangida População População pela bacia residente servida (%) (hab) (hab) Lisboa Alvalade Lisboa Benfica Lisboa Campo Grande Lisboa Campolide Lisboa Carnide Lisboa Nossa Senhora de Fátima Lisboa Santa Isabel Lisboa Santo Condestável Lisboa São Domingos de Benfica Lisboa São João de Deus Lisboa São Sebastião da Pedreira Amadora Alfragide Amadora Brandoa Amadora Buraca Amadora Damaia Amadora Falagueira Amadora Mina Amadora Reboleira Amadora São Brás Amadora Venda Nova Amadora Venteira III.1

148 Figura A III-1: Software ArcMap Representação da BGRI 1106 e BGRI 1115 (relativas aos concelhos de Lisboa e Amadora, respetivamente). Figura A III-2: Software ArcMap Obtenção da área das freguesias da Amadora intersectadas pela bacia. III.2

149 Anexo IV Planeamento da campanha de recolha de amostras para análise isotópica ; 22 a 24 de Julho de 2013 III.1

150 IV. Planeamento da campanha de recolha de amostras para análise isotópica:22 a 24 de Julho de 2013 IV.2

151 AVALIAÇÃO DE CAUDAIS DE INFILTRAÇÃO NA ZONA ALTA DE ALCÂNTARA Planeamento da Campanha de 22 a 24 Julho de 2013 (Documento de trabalho) Introdução No presente documento apresenta-se o planeamento da primeira campanha desenvolvida no âmbito de uma prestação de serviços do Instituto Superior Técnico (IST), através da ADIST (Associação para o Desenvolvimento do Instituto Superior Técnico), à SIMTEJO (Saneamento Integrado de Municípios do Tejo e Trancão). A referida campanha terá lugar nos dias 22, 23 e 24 de Julho de 2013, na Zona Alta da bacia de Alcântara (concelhos de Lisboa e Amadora). Nesta campanha pretende-se fundamentalmente proceder à recolha de amostras de águas residuais, águas freáticas e águas potáveis em diversos locais dos concelhos da Amadora e Lisboa, para posterior avaliação da carência química em oxigénio (CQO) e da razão isotópica ( 18 O). Serão ainda realizadas medições de temperatura, ph, potencial redox, oxigénio dissolvido e condutividade, in situ. A análise da razão isotópica em laboratório será levada a cabo pela Stable Isotopes and Instrumental Analysis Facility (SIIAF), pertencente à Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. A CQO será analisada pelos laboratórios da SIMTEJO (no caso das águas residuais) e pelo Laboratório de Análises Químicas do IST (no caso das águas freáticas). O principal objetivo deste documento é servir de guia prático para a campanha, apresentando-se, para além do planeamento, os locais, as equipas, os materiais necessários e procedimentos a adotar. Identificação dos pontos de recolha Foram identificados, pela SIMTEJO, vários pontos de interesse, na Zona Alta da bacia de Alcântara, para a recolha e análise de amostras. No dia 1 de Março de 2013 foi realizada uma visita a vários locais, com o objetivo de analisar as facilidades de acesso e o potencial de serem ou não usados nesta campanha. No Quadro A IV-1 apresentam-se as características de três dos locais analisados, acompanhados por fotografias tiradas nessa data (pela Eng.ª Rita Matos). IV.1

152 Quadro A IV-1: Características, localização e fotografia de três locais visitados no dia 1 de Março de Local: Nascente do Jardim da Mina Características: Caudal reduzido e acesso fácil Local: Nascente da R. Fonte dos Passarinhos Características: Caudal reduzido/médio e acesso condicionado Local: Linha de água do Parque Aventura Características: Caudal médio e acesso fácil IV.2

153 De acordo com o acordado entre o IST e a SIMTEJO, foram selecionados seis locais onde se prevê que sejam recolhidas amostras, três dos quais são os apresentados no Quadro A IV-1. Esses locais são descritos no Quadro A IV-2 e a sua localização apresenta-se na Figura A IV-1. Quadro A IV-2: Identificação dos locais de medição da campanha de 22 a 24 de Julho (2013). Origem Local Morada Água residual (total) Água potável (rede) Água freática Caneiro de Alcântara CANETAR ETAR de Alcântara (Av. De Ceuta), Lisboa Bebedouro (Parque Aventura) AP1 Estrada da Falagueira, Amadora Torneira (ETAR de Alcântara) Nascente da R. da Fonte dos Passarinhos Nascente do Jardim da Mina Linha de água do Parque Aventura (Belas/aqueduto) AP2 AF1 AF2 AF3 ETAR de Alcântara (Av. De Ceuta), Lisboa Rua Fonte dos Passarinhos, Amadora Praceta do Jardim da Mina, Amadora Estrada da Falagueira, Amadora Figura A IV-1: Localização dos pontos de recolha de amostras na bacia, em planta. Material O material necessário à realização desta campanha inclui instrumentos auxiliares e de recolha (que permitam levantar as tampas das câmaras de visita, recolher volumes de água em pontos de menor acessibilidade, etc.), material especializado para a recolha de amostras para análise isotópica (filtros e seringas), material de armazenamento (tubos e geleira) e equipamento de proteção pessoal. A lista dos itens necessários, da sua quantidade e das entidades responsáveis pelo seu fornecimento, apresenta-se no Quadro A IV-3. IV.3

154 Refira-se que, para além do material apresentado no Quadro A IV-3, cada técnico deverá levar consigo equipamento de proteção, nomeadamente calçado apropriado e capacete. A SIMTEJO irá ainda disponibilizar os fatos tyvek, máscaras, luvas e lanterna. Quadro A IV-3: Lista de materiais e entidades responsáveis pelo seu fornecimento. Material Quantidade Equipa 1 Equipa 2 Fornecedor Balde de polietileno 1 1 IST Etiquetas (e marcador) >70 >50 IST Fato tyvek vários vários Simtejo Filtros >50 >50 SIIAF Frascos (CQO) 26 3 Simtejo Lanterna 1 1 Simtejo Luvas vários vários Simtejo Máscaras vários vários Simtejo Refrigerador 1 1 IST Sacos de plástico >50 >50 IST Seringas >50 >50 SIIAF Sonda paramétrica 1 1 IST, LNEC Tubos Eppendorf >50 >50 SIIAF Procedimentos A recolha de amostras para análise da razão isotópica tem algumas peculiaridades, principalmente quando comparada com a recolha de CQO ou com a medição com a sonda paramétrica. Refira-se ainda que os procedimentos e os cuidados a ter diferem ligeiramente consoante a origem de água (freática, potável ou residual). Para tornar mais clara a explicação dos procedimentos, apresentam-se no Quadro A IV-7, por tópicos, os passos a tomar em cada local (de acordo com a origem de água). Para além de se terem consultado relatórios de campanhas semelhantes realizadas anteriormente (fora de Portugal), seguiram-se as indicações do SIIAF. Quadro A IV-4: Procedimentos a adotar na recolha de amostras, em cada local. Origem de água Locais Procedimentos Águas Residuais CANETAR 1. Retirar um volume de água (não é necessário ser grande). 2. Logo de seguida medir os parâmetros: ph, condutividade, oxigénio dissolvido, potencial redox. 3. Filtrar um volume da amostra (mínimo 0,5 ml) para um tubo de Eppendorf. As membranas devem ser previamente lavadas com água. O tubo deve ser cheio até cima, de forma a evitar o contacto com a atmosfera. 4. Colocar o tubo num saco de plástico (para evitar condensações) e guardá-lo dentro do refrigerador (que se deve manter a uma temperatura de 4 ºC). IV.4

155 Origem de água Locais Procedimentos 5. Não esquecer de identificar o tubo e o saco. 6. Depois de terminada a campanha de recolha e até entrega em laboratório, as amostras têm de ser guardadas a uma temperatura de 4 ºC. Água Freática AF1, AF2, AF3 O procedimento a adotar é o mesmo que para as águas residuais. Há ainda que acrescentar os seguintes cuidados: Usar um balde de polietileno para recolher um volume de água. Encher e esvaziar o balde três vezes antes de recolher um volume de água para amostra. Água potável AP1, AP2 O procedimento a adotar é o mesmo que nos casos anteriores. No caso de a recolha ser feita em torneiras, deve deixar-se correr água durante alguns minutos (idealmente 15 min) antes de retirar um volume para amostra. É importante referir que as seringas e os filtros, usados para a recolha de amostras de isótopos, são descartáveis, devendo ser usados apenas uma vez. Planeamento das atividades A recolha de amostras será dividida por duas equipas, consoante a zona: uma será responsável pela recolha de amostras na Amadora (cobrindo os locais AF1, AF2, AF3 e AP1) e outra que ficará na ETAR de Alcântara (cobrindo os locais AP2 e CANETAR). Cada equipa deve ser acompanhada por um operador da SIMTEJO e ter dois técnicos do IST, no mínimo. Prevê-se a constituição apresentada no Quadro A IV-5. Quadro A IV-5: Constituição das equipas 1 e 2. Equipa 1 - Amadora Equipa 2 - ETAR Vera Rodrigues (IST) Rita Matos (IST) Nuno Pimentel (IST) Vasco Garcia (IST) Engª. Vanda Barroso (Simtejo) Operador (Simtejo) Operador (Simtejo) (-) O plano de atividades previstas para cada equipa, que serve também como um mapa detalhado dos horários de recolha de cada amostra, é apresentado na última página deste documento, nomeadamente no Quadro A IV-7. Caso se verifique ser impossível cumprir o referido plano de trabalhos (nomeadamente no primeiro dia, devido a complicações, imprevistos ou falta de tempo), as equipas poderão ajustar os horários, consoante o que for mais prático. Devem, no entanto, manter-se o número de recolhas em cada local IV.5

156 e, preferencialmente, um intervalo relativamente constante entre cada medição (no mesmo local). Assim, as horas de medição sugeridas não precisam de ser rigorosamente seguidas. Relativamente às recolhas de água potável (AP), por exemplo, as equipas podem fazê-las quando for mais conveniente, ao longo do dia. No fim dos dois primeiros dias, as amostras devem ser trazidas para o IST e guardadas no frigorífico do Laboratório de Ambiente. No último dia da campanha, todas as amostras para medição de isótopos devem ser levadas para o laboratório do SIIAF. É ainda importante considerar os meios de transporte, principalmente no caso da equipa móvel. Na equipa 1 deve haver no mínimo um carro, para que se faça o percurso entre os diversos pontos. Em princípio, a SIMTEJO irá disponibilizar um veículo para este fim. Todos os elementos das duas equipas deverão ter em consideração que nos dias 23 e 24 de Julho a campanha tem início de madrugada, pelo que seria aconselhável organizarem o modo de chegada aos locais. No Quadro A IV-6 apresenta-se o número de amostras que se prevê serem recolhidas em cada local, ao longo dos dias 22, 23 e 24 de Julho de Quadro A IV-6: Número de amostras que se prevê recolher em cada local. Local\ Tipo de análise Razão isotópica CQO CANETAR 14 3 AF AF AF3 2 - AP AP Atividades de preparação da campanha Antes da realização da campanha, é necessário proceder a diversas atividades de preparação. Com alguma antecedência, deve verificar-se a disponibilidade de material do IST, nomeadamente de frascos de CQO, sondas e geleiras. Deve ficar ainda assegurado que exista espaço livre no frigorífico do laboratório de Ambiente entre os dias 22 e 24 de Julho, de forma a poderem ser armazenadas todas as amostras. O material que não é fornecido pelo IST, nomeadamente as seringas, tubos e filtros, deve ser levantado e trazido para o IST. Uma vez que os frascos Eppendorf são muito pequenos, aconselha-se ainda que seja feita, antes da campanha, a rotulação dos mesmos. Por uma questão prática, podem também ser rotulados os frascos de CQO. Refira-se ainda que, geralmente, os tubos, seringas e filtros estão à conta do número de amostras. Assim, é conveniente organizar o material por dia e por equipa, para que não se corra o risco de faltar material no último dia de campanha. Para preparar a campanha, será realizada, no dia 17 de Julho, uma visita prévia de reconhecimento a todos os locais. Nessa visita estarão presentes dois elementos do IST, um de cada equipa, que serão acompanhados por um funcionário da SIMTEJO. O principal objetivo desta visita é conhecer a IV.6

157 localização de cada ponto, estudar o percurso entre pontos (para a equipa 1) e adaptar o planeamento inicial das atividades, se necessário. Pretende-se ainda identificar ou tentar prever possíveis obstáculos e dificuldades práticas, a tempo de os minimizar antes da campanha. Nos pontos de acesso limitado, nomeadamente na Rua da Fonte dos Passarinhos (onde a câmara de visita se encontra numa zona de estacionamento), devem ser colocados pinos ou outra identificação, para que não haja problemas de acesso. A SIMTEJO ficou responsável por proceder a este trabalho, nos dias anteriores à campanha. IV.7

158 Quadro A IV-7: horário de recolha de amostras, por dia e por equipa. Equipa 1 Equipa 2 Dia Data 22-Jul 23-Jul 24-Jul 22-Jul 23-Jul 24-Jul 5:00 CANETAR 5:15 CANETAR 5:30 5:45 6:00 CANETAR 6:15 CANETAR 6:30 6:45 7:00 CANETAR 7:15 CANETAR 7:30 7:45 8:00 AF1 AF1 8:15 AF2 AF2 8:30 AF3 AP1 8:45 AP1 9:00 9:15 AP2 AP2 9:30 CANETAR CANETAR 9:45 10:00 AF1 AF1 10:15 AF2 AF2 10:30 AP1 AP1 10:45 11:00 CANETAR CANETAR 11:15 AP2 AP2 11:30 11:45 12:00 AF1 AF1 12:15 AF2 AF2 12:30 AF3 AP1 12:45 AP1 AP2 AP2 13:00 13:15 13:30 13:45 14:00 CANETAR CANETAR 14:15 AP2 AP2 14:30 14:45 15:00 AF1 AF1 15:15 AF2 AF2 15:30 AP1 AP1 15:45 16:00 CANETAR CANETAR 16:15 AP2 AP2 16:30 Trazer amostras para o IST 16:45 17:00 AF1 AF1 AF2 AF2 AP1 AP1 Trazer amostras para o IST 1 amostra isótopos 1 amostra isótopos + 1 amostra CQO Intervalo (almoço) IV.8

159 Anexo V Resultados da campanha de recolha de amostras para análise isotópica; 22 a 24 de Julho de 2013 IV.9

160 V.0 V. Resultados da campanha de recolha de amostras para análise isotópica; 22 a 24 de Julho de 2013

161 V.1. Fotografias da campanha Dia 1 (22/07/2013) Figura A V-1: Recolha no local AP1 Figura A V-2: Medição de parâmetros no local AP1 Figura A V-3: Caixa de visita no local AF1 Figura A V-4: Medição de parâmetros no local AF1 Figura A V-5: Medição de parâmetros no local AF2 Figura A V-6: Medição de parâmetros no local AF2 Figura A V-7: Local AF3 Figura A V-8: Recolha de amostras no local AF3 V.1

162 Dia 2 (23/07/2013) Figura A V-9: Recolha de água no local AF1 Figura A V-10: Recolha de água no local AF1 Figura A V-11: Recolha de água no local AP1 Figura A V-12: Recolha de amostra no local AP1 Dia 3 (24/07/2013) Figura AV-13: Local AF2 (Jardim da Mina) Figura AV-14: Recolha de amostra no local AF2 Figura AV-15: Recolha de água no local AF1 Figura AV-16: Medição de parâmetros no local AF1 V.2