sde
Paulo De 
  
Castro Vieira 
  
Marcos Von Sperling 
  
Martin Seidl 
  
Nilo Nascimento 
  
Emmanoelle Cintra Da Cunha 
  
Massa Da 
  
Durante Eventos Poluente 
  
E M Chuvosos 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
eventos chuvosos em um córrego urbano no município de Belo Horizonte

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d'enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

RESUMO

No Brasil, ainda são poucas as informações em bacias hidrográficas urbanas e rurais sobre as condições de qualidade da água em corpos hídricos durante eventos chuvosos, baseadas em amostragens intensivas durante os episódios, e contemplando a estimativa da carga de lavagem. A carga de lavagem, conceituada como o fenômeno da remoção inicial do material acumulado no período entre chuvas na superfície da bacia ou no interior das canalizações de drenagem pluvial, pelas águas de chuva, pode causar picos de concentração para determinados poluentes, antes do pico da vazão. Neste sentido, esta pesquisa tem como proposta gerar informações quanto ao estudo das condições de qualidade e quantidade das águas de uma microbacia urbanizada e altamente impactada (córrego Brejo do Quaresma, em Belo Horizonte), durante eventos chuvosos através da avaliação da distribuição de suas cargas poluidoras, por meio de amostragens da qualidade da água e a simulação de vazão. A amostragem da qualidade da água ocorreu com uma frequência de coleta de 10 minutos durante os eventos chuvosos, com duração entre 2 e 4 horas. As vazões produzidas durante os eventos chuvosos foram simuladas pelo modelo SWMM versão 5.0 (bloco Runoff). O método adotado para a avaliação da distribuição de massa versus o volume escoado nos eventos chuvosos monitorados foi realizada pela curva de Massa M(V) que é baseada nas curvas do hidrograma Q(t) e do polutograma C(t). Os resultados das curvas M(v), distribuição de massa ao longo dos eventos chuvosos, sugere que há ocorrência de carga de lavagem para os parâmetros de qualidade DBO 5 , DQO, SS, Cu-total, Nitotal e Zn-total e diluições dos parâmetros NTK, N-NH 4 + , P-total nos eventos chuvosos. Conforme a avaliação dos eventos chuvosos monitorados pode-se sugerir que a intensidade e duração, e desta forma a precipitação total, proporcionam um impacto marcante na qualidade e quantidade de poluentes presentes no corpo receptor promovido pelo escoamento superficial das águas de chuva.

PALAVRAS-CHAVE:

Microbacia urbanizada, Poluição difusa, Eventos chuvosos, Cargas poluidoras e Cargas de lavagem.

INTRODUÇÃO

A caracterização e o controle das fontes pontuais de poluição para os corpos hídricos no meio urbano vêm sendo amplamente estudados e aperfeiçoados ao longo da história moderna da humanidade. Ao contrário, as fontes difusas de poluição promovidas pelo uso e ocupação do solo na bacia, diretamente relacionadas ao ciclo hidrológico local, apenas vêm sendo investigadas recentemente de forma mais aprofundada e principalmente por países desenvolvidos na busca por alternativas sustentáveis de controle da poluição [START_REF] Campbell | Diffuse Pollution: An introduction to the problems and solutions[END_REF][START_REF] Lee | Design of stormwater monitoring programs[END_REF][START_REF] Von Sperling | Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos[END_REF].

O processo de urbanização proporciona alterações no regime hídrico devido à impermeabilização do solo na bacia, causando o aumento do volume e da velocidade do escoamento superficial, gerando maior capacidade de arraste e conseqüentemente maior carga poluidora. Esta carga gerada na bacia hidrográfica passa a ser composta por fontes pontuais e difusas, aumentando o seu potencial poluidor aos ambientes aquáticos [START_REF] Baptista | Técnicas Compensatórias em Drenagem Urbana[END_REF][START_REF] Tucci | [END_REF]URBONAS e STAHRE, 1993). (2004) apontaram que as concentrações de alguns poluentes carreados pelo escoamento superficial em áreas urbanas, geralmente em grandes áreas impermeabilizadas, tendem a ser muito mais altas no início do que no meio ou no final da precipitação. As concentrações de poluentes no escoamento gerado variam ao longo do evento hidrológico, assim como variam as vazões. É de se esperar que tais valores formem um "polutograma" com a mesma forma genérica do hidrograma correspondente.

A distribuição temporal das concentrações de poluentes, isto é, o polutograma, é difícil de ser mensurado ou previsto. Na maior parte dos estudos de poluição por cargas difusas, no entanto, o objetivo principal é a avaliação do impacto do lançamento da drenagem urbana sobre o corpo receptor e a resposta do ecossistema ao problema geralmente se dá de forma razoavelmente lenta.

Um dos fenômenos discutidos quando se trata de prever polutogramas é a ocorrência da chamada carga de lavagem, em inglês, o first flush. A explicação mais comum é a de que se trata da remoção inicial do material acumulado no período entre chuvas, na superfície da bacia ou no interior das canalizações, significando que o pico do polutograma ocorreria em muitos casos, antes do pico das vazões.

Segundo os autores Burton e Pitt (2002), [START_REF] Campbell | Diffuse Pollution: An introduction to the problems and solutions[END_REF] e Porto (1995), a ocorrência ou não do fenômeno da carga de lavagem, para determinados poluentes, pode estar relacionada, principalmente, com características do tipo de solo e de seu uso e ocupação nas bacias, e também com perdas iniciais no escoamento superficial. Para este último, dependendo da rugosidade e do estado de conservação do pavimento, as perdas iniciais são maiores e possibilitam a retenção de uma parte dos poluentes junto com a parcela de água assim acumulada. O volume total escoado e a altura da lâmina formada sobre as superfícies urbanas poderão também contribuir para que as perdas sejam mais ou menos representativas.

Neste contexto, se inserem os programas de pesquisa e desenvolvimento em recursos hídricos em áreas urbanas, apoiadores desta pesquisa: SWITCH (Sustainable Water Management Improves Tomorrow's Cities Health), promovido pela UNESCO, e Manejo de Águas Pluviais Urbanas, promovido pelo PROSAB 5 -Tema 4 (Programa de Pesquisa em Saneamento Básico).

Desse modo, esta pesquisa tem como proposta gerar informações quanto ao estudo das condições de qualidade e quantidade das águas de uma microbacia urbanizada e altamente impactada (córrego Brejo do Quaresma, em Belo Horizonte), durante eventos chuvosos através da avaliação da distribuição de suas cargas poluidoras, por meio de amostragens da qualidade da água e a simulação de vazão.

MATERIAIS E MÉTODOS

ÁREA DE ESTUDOS

A microbacia do córrego Brejo do Quaresma, tributária da bacia elementar do córrego Vilarinho, está inserida na sub-bacia do rio das Velhas, integrante da bacia do rio São Francisco (figura 1). Constitui uma área predominantemente residencial, com uma população estimada de 15.000 habitantes (IBGE, 2000) em uma área de drenagem aproximada de 130 ha. Apresenta características de um processo de urbanização impactante, como índice de impermeabilização próximo de 80%, trechos em sua extensão em leito canalizado aberto e fechado, erosões no leito natural, margens ocupadas por construções irregulares, acúmulo de grande quantidade de resíduos sólidos e lançamento de esgoto doméstico através de ligações irregulares na rede de drenagem das águas pluviais e diretamente no córrego (Plano Municipal de Saneamento de Belo Horizonte 2004/2007). 

MONITORAMENTO

O ponto de amostragem adotado foi situado próximo a foz do canal principal da microbacia e da bacia de detenção de águas de chuva.

As amostragens da água foram realizadas entre fevereiro e abril de 2008, contando com quatro eventos chuvosos de duração entre 2 e 4 horas. As coletas foram realizadas por meio de amostrador seqüencial automático da marca ISCO 3700, equipado com compartimento térmico (4°C) para preservação das amostras até a realização das análises, com amostragens programadas a cada 10 minutos (alíquota simples de 1 litro) no inicio, durante e após as chuvas.

Para as amostras de água coletadas foram analisadas as varáveis físicas e físico-químicas (DBO 5 , DQO, SS, NTK, N-NH 4 + , P-total, E.coli, Cu, Ni e Zn), sendo que os procedimentos para as análises foram seguidos conforme as recomendações da AWWA (2005) nos Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater.

As amostras coletadas durante os eventos chuvosos variaram entre 12 (2 horas de amostragem) a 24 (4 horas de amostragem) garrafas de 1 litro. Estas amostras coletadas foram compostas em 12 amostras para matéria orgânica, nutrientes e organismos indicadores, e 6 amostras para metais pesados (figura 2). Foram observados os períodos de início, meio e término da chuva para que não fosse composta uma amostra com períodos diferentes na amostragem, através da medição da condutividade e turbidez em cada amostra coletada. As medições das vazões aferidas nos eventos chuvosos monitorados foi realizada por meio do modelo SWMM versão 5.0 [START_REF] Rossman | Storm Water Management Model User's Manual version 5.0[END_REF], bloco Runoff, para a simulação hidrológica de chuva em vazão, através do escoamento gerado na bacia urbana e sua propagação na superfície ou em canais de forma simplificada, acrescida pela vazão de base.

A simulação dos eventos pelo SWWM foi realizada pelo método Kinematic Wave. A microbacia estudada foi dividida em sete sub-bacias para uma melhor homogeneização de áreas com semelhantes uso e ocupação do solo, e para este fim, foi adotado o critério de análise da área por imagens de satélite do Google Earth TM . Dentre os parâmetros físicos (geométricos), hidráulicos e hidrológicos (Tabela 1) adotados e considerados na modelagem da vazão durante os eventos chuvosos, denominados de dados de entrada, destacam-se as metodologias para definição do coeficiente de impermeabilização (CI) e do coeficiente de escoamento superficial (CN) da microbacia do córrego Brejo do Quaresma.

A definição do coeficiente de impermeabilização (CI) da área de estudo foi calculado através do método Méthode Estatistique, publicado pelo ministério de urbanismo e transporte do governo francês em 1986. Para tal, utilizou-se uma densidade de pontos de 0,5 pontos/cm 2 , para uma probabilidade de acerto de 99%.

O coeficiente de escoamento superficial (CN) foi definido por meio do método Soil Conservation Service -SCS (1957). Neste foi adotado o critério binário na distinção de permeabilidade da área, ou seja, área permeável ou área não-permeável. Para o CN da equação do método, utilizou-se o valor de 77, baseado no valor de CN sugerido em bacias urbanas segundo Soil Conservation Service (1957). 

CARGA DE LAVAGEM

A avaliação da distribuição de massa versus o volume escoado nos eventos chuvosos monitorados foi realizada pela curva de Massa M(V), que é baseada nas curvas do hidrograma Q(t) e do polutograma C(t), conforme metodologia proposta por BERTRAND-KRAJEWSKI et al. (1998).

A curva M(V), adimensional, consiste em uma análise gráfica do traçado de curvas que fornecem a variação da massa poluente acumulada dividida pela massa total de poluente em relação ao volume acumulado pelo volume real, a partir de n medições da vazão Qi e concentração Ci a cada intervalo Δti, assumindo-se que bissetor, assume-se que os poluentes são distribuídos uniformemente durante o evento monitorado. Quando a curva permanece acima do bissetor, curva > 45°, há a ocorrência da carga de lavagem, e quando a curva permanece abaixo do bissetor, curva < 45°, não há a ocorrência de carga de lavagem, ou seja, o carreamento no início do evento chuvoso de material acumulado na superfície da bacia entre as precipitações. 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As campanhas realizadas foram analisadas quanto às informações hidrológicas, para uma melhor compreensão das variações dos resultados dos parâmetros de qualidade apresentados. Os principais parâmetros pluviométricos analisados (Tabela 2) foram os períodos sem precipitações antecedentes às campanhas nos eventos chuvosos, os com precipitações anteriores e também as intensidades e durações das precipitações durante as campanhas nos eventos chuvosos monitorados.

TABELA 2: Parâmetros pluviométricos estudados para cada campanha de evento chuvoso. 

Datas

A partir da simulação da conversão de chuva em vazão, e assim, possibilitada a relação entre vazão/concentrações de poluentes, foi observado um comportamento inversamente proporcional entre as concentrações de determinados parâmetros de qualidade e as vazões ao longo dos eventos de chuva. Tal comportamento foi apresentado pelos nutrientes (NTK, N-NH 4 + e P-total) na maioria dos eventos, durante os quais as concentrações destes constituintes diminuiu com o acréscimo da vazão. O fato possivelmente está associado ao fenômeno de diluição promovido pelo acréscimo das águas de chuva, que também pode ser observado através da diminuição da condutividade elétrica no início dos eventos. Os resultados das curvas M(v), distribuição de massa ao longo dos eventos chuvosos, sugerem que há ocorrência de carga de lavagem para os parâmetros de qualidade DBO 5 , DQO, SS, Cu-total, Ni-total e Zn-total e as diluições dos parâmetros NTK, N-NH 4 + , P-total nos eventos chuvosos, confirmando a análise anterior das concentrações ao longo do tempo, na maioria dos eventos chuvosos monitorados. A figura 5 apresenta as curvas M(v) para os parâmetros SS e P-total durante um dos eventos chuvosos monitorados, mostrando o seu comportamento distinto. O fenômeno da carga de lavagem para os SS apresentado na maioria dos eventos chuvosos monitorados está possivelmente associado ao estado de exposição e erodibilidade do solo na microbacia, principalmente na calha do córrego onde não se encontra canalizado, e também às condições de acúmulo de resíduos nas margens do córrego. No evento monitorado do dia 27/02 -o evento de maior intensidade e que maior tempo ficou sem precipitação dentre os eventos monitorados -era de se esperar também a ocorrência da carga de lavagem, que não ocorreu, supondo-se que tal possa estar associado ao horário do ocorrido.

No caso dos nutrientes, como o P-total apresentado na figura anterior, apontam para uma condição da diluição e não ocorrendo a carga de lavagem como são demonstrados pelas curvas abaixo do bissetor, ou seja, a superfície da microbacia não acumula mais nutrientes do que aqueles que já são despejados no córrego devido à ausência de rede interceptora de esgotos.

CONCLUSÕES

Na avaliação do comportamento dos parâmetros monitorados ao longo dos eventos, observa-se um padrão geral de relação entre as maiores e menores concentrações em função das maiores e menores quantidades de precipitações, intensidades, duração, períodos sem chuva e precipitação anterior. De grande importância são também o tipo de ocupação da bacia, o tamanho da área de drenagem, a área impermeabilizada e os horários dos eventos coletados. Os horários das coletas acredita-se que possam ter uma grande influência devido ao padrão diurno estabelecido pelos esgotos domésticos na microbacia, que determinam os horários de maior e menor concentração.

Desta forma, foram observadas alterações que podem estar associadas diretamente às condições do tempo apresentadas para os eventos monitorados, como por exemplo, os eventos de maior precipitação e de maior intensidade foram os que proporcionaram, respectivamente, as maiores concentrações em pico, percentil 90% e também em medianas para os SS e metais pesados. Estes eventos também foram os que proporcionaram as menores concentrações de matéria orgânica, NTK e N-NH 4 + , caracterizando o fenômeno da diluição.

Conforme a avaliação dos eventos monitorados pode-se sugerir que a intensidade e duração, e desta forma a precipitação total, proporcionam um impacto marcante na qualidade e quantidade de poluentes presentes no corpo receptor (córrego Brejo do Quaresma) promovido pelo escoamento superficial das águas de chuva.

O trabalho em questão tem ainda como proposta (verificação) a validação dos dados de vazão simulados pelo SWWM, através do monitoramento real da vazão durante os eventos chuvosos com mesma duração e intensidade dos avaliados. A vazão deverá ser monitorada através da relação cota x área -vertedor retangular de parede delgada -por meio de um sensor piezométrico instalado próximo ao vertedor e nivelado com a cota da soleira do vertedor.

  Pesquisas realizadas por Aryal (2006), Bertrand-Krajewski et al. (1998), Bonumá e Gastaldini (2007), Brites e Gastaldini (2005), Davies-Colley et al. (2007), Deletic (1998), Choe et al. (2002), Gupta e Saul (1996), Komai (2002), Lee et al. (2002) e Pitt et al.

FIGURA 1 :

 1 FIGURA 1: Localização e limites da microbacia Brejo do Quaresma no município de Belo Horizonte e do ponto de amostragem na bacia.

FIGURA 2 :

 2 FIGURA 2: Composição das amostras coletadas a cada duas horas em 24 horas de amostragem.

TABELA 1 :

 1 Parâmetros adotados e considerados para a simulação dos eventos na microbacia do córrego Brejo do Quaresma.

  Q e C variem linearmente entre duas medições (BRITES e GASTALDINI, 2005; DOTTO, 2006; BERTRAND-KRAJEWSKI et al., 1998; FERREIRA e NETO, 2007; PRODANOF, 2005). A equação (1) representa o traçado de uma curva M(V) em um determinado evento. ( 1 ) Onde: é a função da equação da curva M(v); N é o número total de medições; j é o índice de 1 a N; Vi é o volume descarregado durante o intervalo de tempo ; e Qi (m3/s) e Ci, (mg/l) respectivamente a vazão e concentração a cada intervalo . As etapas gráficas utilizadas para a determinação das curvas M(V) foram realizadas através dos dados de concentração e vazão, ao longo do tempo. Elaborou-se o hidrograma (1) e polutograma (2) de cada evento. Em seguida, foram plotados os gráficos da variação da carga do poluente (3) e por sua vez o volume total acumulado (4) ao longo do tempo. Determinados a massa e o volume total acumulados, elaboraram-se os gráficos 5 e 6 expressos pela razão entre massa e volume acumulados pelo total da massa e do volume, respectivamente. Contudo, a curva de Massa M(V) foi plotada (7) a partir de um determinado tempo ti no gráfico massa acumulada/massa total, determinando a coordenada y, e do gráfico volume acumulado/volume total foi determinada a variável x. As coordenadas X e Y no gráfico M(V) representam, respectivamente, as relações entre massa acumulada e massa total, e volume acumulado e volume total. Para a análise gráfica da curva M(V), representada pelo gráfico (7) da figura 3, foi observada a sua posição em relação ao bissetor para a indicação da distribuição dos poluentes durante todo o evento monitorado (BRITES e GASTALDINI, 2005; BERTRAND-KRAJEWSKI et al., 1998). Se a curva se confunde com o

FIGURA 3 :

 3 FIGURA 3: Etapas gráficas para o traçado da curva M(V), segundo BERTRAND-KRAJEWSKI et al. (1998), adotadas para os poluentes monitorados neste estudo.

  Os parâmetros indicadores de matéria orgânica (DQO e DBO 5 ) em determinados eventos apresentaram comportamento de oscilações ao longo do evento e de picos (concentrações máximas) anteriores aos picos de vazão. Para os parâmetros SS, SSV, turbidez e metais pesados (Cu, Ni e Zn), foram observadas concentrações máximas anteriores aos picos e com diminuições sucessivamente ao longo de todos os eventos monitorados. As bactérias indicadoras de contaminação fecal (Coliformes totais e E.coli) não apresentaram um comportamento geral de acréscimo ou de diluição durante os eventos chuvosos, conforme mencionado anteriormente, possivelmente devido ao seu padrão de distribuição na água poluída do córrego, na qual estão presentes em concentrações elevadíssimas.A figura 4 representa o comportamento de um dos eventos chuvosos monitorados, considerado como típico em termos das vazões e dos parâmetros de qualidade.

FIGURA 4 :

 4 FIGURA 4: Hidrograma (Q) e polutogramas de DQO, DBO5, SS, NTK e Zn no evento de 24/02/08.

FIGURA 5 :

 5 FIGURA 5: Curvas M(V) dos parâmetros DQO, SS, Cu e P-total nos eventos chuvosos monitorados.

25º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 20 a 25 de setembro de 2009 -Recife/PE