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Engenharia Sanitaria e Ambiental

versão impressa ISSN 1413-4152versão On-line ISSN 1809-4457

Eng. Sanit. Ambient. vol.22 no.2 Rio de Janeiro mar./abr. 2017  Epub 19-Jan-2017

http://dx.doi.org/10.1590/s1413-41522016161318 

Artigo Técnico

Modelação hidráulica e de qualidade da água dos sistemas de drenagem em meios urbanos

Hydraulic and water quality modelling of urban drainage systems

Luís Filipe de Oliveira Girão1 

Nuno Eduardo da Cruz Simões2 

José Alfeu Almeida de Sá Marques2 

João Paulo Correia Leitão3 

Rui Daniel Pina4 

1Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra - Coimbra, Portugal.

2MARE, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra - Coimbra, Portugal.

3Eawag: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology - Dubendorf, Switzerland.

4Department of Civil and Environmental Engineering, Imperial College London - London, UK..

RESUMO:

As inundações urbanas estão se tornando cada vez mais frequentes, de tal forma que a União Europeia publicou a Diretiva 2007/60/CE no sentido de mitigar as consequências relacionadas com este fenômeno e de impor limites à concentração de poluentes nas águas pluviais. O objetivo deste artigo foi apresentar uma modelação dos sistemas de drenagem em situação de inundações, baseada no software da United States Environmental Protection Agency (EPA), Storm Water Management Model (SWMM), em que o estudo de caso é analisar um sistema de drenagem urbana unitário, inserido na Zona Central de Coimbra, em Portugal. Recorrendo à metodologia Automatic Overland Flow Delineation (AOFD) para a geração de uma rede de drenagem superficial e implementando-a no SWMM, obteve-se um modelo de drenagem dual, que permite a análise do escoamento em situação de inundações, incluindo o controle de escoamento entre a superfície e a rede de coletores e a modelação da qualidade da água à superfície. Este modelo permite quantificar a carga poluente à superfície, relativamente ao parâmetro de sólidos suspensos totais, para um evento de precipitação extrema.

Palavras-chave: inundações urbanas; drenagem dual; qualidade de água

ABSTRACT:

Urban floods are becoming more frequent. Thus, the European Union published the Directive 2007/60/CE to mitigate costs related with this phenomenon and to impose limits on the concentration of pollutants in pluvial water. The purpose of this study was to present the modelling of drainage systems in flood situations, based on the software of the United States Environmental Protection Agency (EPA), the Storm Water Management Model (SWMM), in which the study case is to analyze a unitary urban drainage system of Zona Central catchment in Coimbra, Portugal. By using the Automatic Overland Flow Delineation (AOFD) methodology for the generation of a superficial drainage network and implementing it in the SWMM, it was obtained a dual drainage model that allows the flow analysis in flood conditions, including flow control between the surface and collectors network and also modeling of water quality at the surface. This model allows quantifying the pollution load at the surface, relatively to the parameter of total suspended solids, for any extreme rainfall event.

Keywords: urban floods; dual drainage; quality of water

INTRODUÇÃO

A utilização da água por parte das populações implica a produção de águas residuais que contêm elevadas quantidades de matéria orgânica, bem como matérias poluentes nocivas à saúde pública. Estas águas devem ser conduzidas e tratadas numa estação de tratamento para, posteriormente, serem devolvidas ao meio receptor. Por outro lado, a precipitação origina escoamentos superficiais que devem ser devidamente controlados e conduzidos, caso contrário, poderão originar inundações com consequências graves para as populações. Adicionalmente, existe uma relação efetiva entre o crescimento populacional e a incidência de inundações em meios urbanos (FILHO & AMARAL, 2013). Uma inundação urbana ocorre quando as águas da chuva, do mar e dos cursos d'água atingem cidades, nomeadamente, arruamentos, passeios, zonas habitacionais e comerciais (SÁ MARQUES et al., 2013). Nesse sentido, é essencial a existência de uma rede de drenagem para salvaguardar a segurança e o bem-estar da população.

As inundações ocorridas nos últimos anos em zonas habitadas instigaram o desenvolvimento de diversos trabalhos de investigação, os quais conduziram a um aperfeiçoamento dos modelos de drenagem urbana existentes (DJORDJEVIĆ et al., 1999; HSU et al., 2000; DJORDJEVIĆ et al., 2005; MAKSIMOVIĆ et al., 2009; SIMÕES, 2012; BAZIN et al., 2013; DJORDJEVIĆ et al., 2013). Dessa forma, desenvolveu-se o conceito de drenagem dual, em que o escoamento superficial é simulado por meio de um sistema constituído por canais abertos e bacias (sistema principal), que, por sua vez, está ligado ao sistema de coletores (sistema secundário) (PRICE & VOJINOVIĆ, 2011). Na Figura 1 é apresentada uma representação esquemática do conceito de drenagem dual, na qual se podem observar as interações entre o sistema superficial e o de coletores.

Figura 1: Representação esquemática do conceito de drenagem dual (adaptado de Smith, 2006). 

A interação entre a rede de drenagem superficial e a de coletores foi inicialmente estudada por Djordjević et al. (1999). No estudo referido, desenvolveu-se o conceito de drenagem dual, que é definido pela integração de um sistema de drenagem superficial, o qual inclui a superfície urbana, com o modelo de drenagem da rede de coletores. A rede superficial foi estabelecida com base em sistemas de informação geográfica (SIG) utilizando o modelo digital do terreno (MDT), e a interação com a rede de coletores foi simulada recorrendo-se a ligações nas caixas de visita.

Djordjević et al. (2005) apresentaram um modelo 1D/1D por meio do software SIPSON para simular uma rede de drenagem dual, que incluía a rede de escoamento superficial e aquela em coletores, ligadas entre si através de nós que são pontos de entrada da água. No modelo apresentado por Djordjević et al. (2005), o caudal que entra ou sai dos nós foi simulado recorrendo-se a descarregadores e orifícios.

Por sua vez, Maksimović et al. (2009) desenvolveram uma metodologia que permite gerar automaticamente as redes superficiais, recorrendo-se a um MDT - delineação automática do escoamento superficial (AOFD - Automatic Overland Flow Delineation). Esta rede superficial é composta por canais (links) que representam os caminhos preferenciais da água à superfície e por nós que indicam as depressões no terreno ou os pontos de acumulação da água.

Simões et al. (2010) e Simões (2012), empregando o método de AOFD e utilizando o software Infoworks CS, da Innovyze, apresentou uma simplificação dos modelos 1D/1D, permitindo alcançar-se uma significativa redução do tempo computacional de simulação do modelo e mantendo-se uma boa confiabilidade dos resultados. Complementarmente, o mesmo autor relatou uma combinação da simulação 1D/1D e 1D/2D num mesmo modelo (híbrido), evidenciando as suas vantagens.

Os estudos mais recentes realizados neste âmbito incidiram sobre as análises numérica e experimental do comportamento do escoamento que ocorre entre a superfície e a rede de coletores, entre os quais se destacam os trabalhos dos seguintes autores: Bazin et al. (2013) e Djordjević et al. (2013).

No âmbito da qualidade da água, Fan et al. (2013) introduziram um modelo desenvolvido para simular os impactos da descarga de efluentes em bacias hidrográficas da ordem de várias dezenas de quilômetros quadrados, em situações de escassez de dados.

Quando se pretende avaliar o comportamento das redes de drenagem face a eventos extremos, o conceito de drenagem dual apresenta uma importância crucial, uma vez que ambos os sistemas interagem entre si, existindo, por vezes, o movimento (ascendente e/ou descendente) de grandes quantidades de água (LEITÃO et al., 2012).

Atualmente, existem duas abordagens principais relativamente aos modelos de drenagem dual, sendo que ambas utilizam um modelo unidimensional para a rede de coletores. A abordagem 1D/1D representa a superfície por meio de um modelo unidimensional, enquanto a 1D/2D indica-a por um bidimensional (SÁ MARQUES et al., 2013). Num modelo 1D/1D, a superfície é modelada por meio de um conjunto de bacias e nós conectados por ligações, em que os nós representam as junções de canais, os cruzamentos ou as depressões no terreno e as ligações são essencialmente para canais abertos (SIMÕES, 2012). Esses também apresentam um esforço computacional menor, traduzido num tempo de execução de uma simulação de um evento bem inferior. Contudo, os seus resultados apenas serão aceitáveis quando for pequena a incerteza com relação aos caminhos superficiais que o escoamento percorrerá.

Por sua vez, nos modelos 1D/2D, a superfície é dividida em pequenos elementos individuais, nos quais cada um desses elementos contém diversas informações, tais como: a cota do terreno, o tipo de cobertura, as propriedades do solo e o coeficiente de rugosidade (LEITÃO, 2009). Uma vez que esses modelos são mais complexos, pois representam de forma mais detalhada a realidade, o tempo de execução de cada simulação é mais longo, o que os torna pesados e, portanto, consumidores de tempo de esforço do cálculo. Quando se pretende simular eventos extremos, em zonas onde existe escoamento multidirecional, tais modelos constituem uma melhor opção. A escolha entre utilizar um modelo 1D/1D ou 1D/2D (dependendo do caso em estudo e dos parâmetros do modelo) determina a qualidade dos resultados e o tempo computacional necessário para obtê-los (LEANDRO et al., 2009).

Para que a capacidade hidráulica das infraestruturas dispostas a jusante não seja excedida (como uma estação de tratamento de água residual), existem dispositivos denominados descarregadores de tempestade (DT), nos quais é liberada parte do caudal afluente que será conduzida até o meio hídrico. Esse dispositivo tem particular importância nos sistemas de drenagem unitários, em que as águas residuais escoam conjuntamente com as pluviais numa única rede. De fato, verifica-se que existem muitos centros urbanos antigos drenados por sistemas unitários, tanto na Europa como nos Estados Unidos. Nesses casos, as descargas efetuadas pelos DT podem ter graves efeitos no meio receptor quando não são executadas de acordo com as condições do meio, tal como referem Gasperi et al. (2012).

Ainda que a legislação portuguesa, pelo Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas Residuais (RGSPPDADAR), imponha que os novos sistemas de drenagem criados devam ser separativos (água residual e pluvial escoam em redes distintas), vários daqueles existentes nas cidades são unitários. O aumento de eventos extremos resulta em elevação do número de descargas dos DT, colocando em risco a qualidade das águas e dos hábitats onde essas descargas ocorrem (RGSPPDADAR, 1995). Com vista à gestão e proteção dos recursos hídricos, a União Europeia adotou, em 2000, a Diretiva-Quadro Água (DQA), que estabelece um quadro para o desenvolvimento de políticas integradas de gestão da água pelos órgãos comunitários e pelas administrações nacionais e regionais dos Estados Membros. Dessa forma, pretende-se garantir o bom estado ecológico da água, subterrânea ou superficial, em toda a Europa, impondo-se limites à concentração de poluentes na água. Nesse sentido, este estudo apresentou uma nova metodologia que permite avaliar a qualidade da água superficial, com vista ao cumprimento das exigências legais em termos de qualidade da água definidas na DQA. Portanto, este trabalho apresenta os seguintes objetivos:

  • Simular o comportamento de um sistema de drenagem, utilizando-se um modelo de drenagem dual 1D/1D no software Storm Water Management Model (SWMM), com controle de caudal entre o sistema à superfície e a rede de coletores.

  • Desenvolver uma metodologia para avaliar a concentração do poluente de sólidos suspensos totais (SST) num sistema unitário, não só na rede de coletores, mas também à superfície, devido à ocorrência de inundações. Neste modelo, considerou-se o parâmetro físico de SST para aferir a qualidade da água, por estar associado a um fenômeno de transporte, sem a necessidade de ajustar parâmetros, que foi utilizado por diversos autores (TEMPRANO et al., 2006; CAMBEZ et al., 2008; LIU et al., 2011). No entanto, a metodologia poderá ser aplicada a outros indicadores de qualidade da água. Esta análise é de extrema importância devido aos danos diretos provocados pelas inundações, mas, essencialmente, por se tratar de uma questão de saúde pública.

METODOLOGIA

Com este estudo, pretendeu-se desenvolver uma forma de modelar uma rede de drenagem dual com controle de caudal entre a superfície e o sistema de coletores e quantificar o parâmetro de qualidade dos SST. Para concretizar tais objetivos, utilizou-se o software SWMM, desenvolvido pela Environmental Protection Agency (EPA). As razões que justificam a escolha deste software são o fato de ser open source e freeware, bem como ser frequentemente recomendado para avaliar o comportamento e impacto dos DT na qualidade da água (BURTON & PITT, 2002; TEMPRANO et al., 2006; BORRIS et al., 2012; THÉRIAULT & DUCHESNE, 2012).

A Figura 2 ressalta a necessidade do controle de caudal entre os dois sistemas contemplados no conceito de drenagem dual: o sistema superficial e o de coletores. O movimento descendente do caudal ocorre quando a carga hidráulica que se verifica na caixa de visita é inferior ao nível do solo. Quando a carga hidráulica na caixa de visita se encontra entre o nível do solo e o da água à superfície, a água continua a escoar para o sistema de coletores. Por sua vez, o movimento ascendente da água é provocado pela entrada em carga da rede de coletores.

Figura 2: Casos básicos do controle de caudal (adaptado de Djordjević et al., 2005). 

O SWMM permite modelar tais fenômenos recorrendo-se a elementos específicos, nomeadamente, descarregadores e orifícios. O movimento descendente do escoamento é simulado por meio de um elemento outlet ao qual está associada uma tabela relacionando altura de água e caudal que entra nos coletores (Figuras 2A e B). Por outro lado, o movimento ascendente do escoamento, provocado pela entrada em carga da rede de coletores, é simulado por um orifício (Figura 2C). Neste caso, o controle de caudal é realizado por meio do elemento outlet disponível no SWMM, que usa a equação do tipo Q=AhB , em que Q é o caudal; h é a carga hidráulica e A e B são os parâmetros que podem ser calibrados. No caso de B=0,5, esta equivale à equação de um orifício. Como normalmente se consideram os sumidouros e os ramais de ligação de forma simplificada, é possível calibrar o caudal que entra ou sai em cada caixa de visita. O limite para a capacidade da entrada de água nos coletores definiu-se como 50 L/s, baseado em experiências feitas pela empresa que gere o sistema de drenagem (PINA et al., 2010).

A aplicabilidade da metodologia será demonstrada por meio de um caso de estudo simplificado. Posteriormente, aplica-se a metodologia a um caso de estudo real, em Coimbra, Portugal.

Avaliação da metodologia com um modelo simplificado

Na Figura 3 é apresentado um esquema do modelo simplificado 1D/1D implementado no SWMM, no qual os caminhos superficiais apresentam uma secção trapezoidal e os coletores possuem uma circular com diâmetro de 0,5 m, conectados a montante e a jusante de cada caixa de visita, respetivamente. Ainda na Figura 3, o polígono representa uma bacia de drenagem com uma área de 5 ha. Os pontos representam os nós e as linhas, os caminhos superficiais (parte superior) e os coletores (parte inferior). Entre cada nó existe uma caixa de visita.

Figura 3: Esquema do modelo simplificado 1D/1D implementado no Storm Water Management Model

A Figura 3 mostra os resultados de uma simulação com chuva constante, quando o sistema se encontra em regime permanente. Pela análise da Figura 3, verifica-se que existe um movimento ascendente e descendente do escoamento, consoante ao caudal que aflui à rede, o que corresponde ao comportamento real de uma rede de drenagem dual. Após os coletores ficarem cheios, nota-se, na primeira caixa de visita, um movimento ascendente do escoamento. Nas caixas de visita seguintes, verifica-se o movimento descendente, cujo valor calibrado depende da altura de água na rua, devido ao fato de a rede de coletores apresentar novamente capacidade de vazão.

Modelo simplificado hidráulico para a qualidade da água

A Figura 4 representa os resultados de uma simulação com chuva constante, quando o sistema se encontra em regime permanente, em que se simula também a qualidade da água.

Figura 4: Esquema do modelo simplificado 1D/1D com qualidade da água implementado no Storm Water Management Model

Em tal exemplo, existe a bacia 1, que escoa para a rede de coletores com uma concentração de poluente de 100 mg SST/L, e a 2, a qual escoa para o caminho superficial com uma concentração de poluente de 10 mg SST/L. Ambas as bacias apresentam a mesma área, divergindo-se apenas na concentração de poluente acumulado. Em função da entrada em carga da rede de coletores na primeira caixa de visita, nota-se que ocorre o movimento ascendente do escoamento até à superfície (271 L/s), provocando um aumento da concentração de poluente à superfície (25 mg SST/L). Por outro lado, quando a rede de coletores recupera a capacidade de vazão, ocorre o movimento descendente do escoamento, provocando uma diminuição da concentração de poluente na rede de coletores.

APLICAÇÃO EM UM CASO REAL (COIMBRA, PORTUGAL)

Área de estudo

A cidade de Coimbra tem média dimensão, em que várias inundações urbanas de origem pluvial têm sido observadas nos anos recentes, nomeadamente, em 9 de junho de 2006, 21 de setembro de 2008 e 24 de dezembro de 2013 (Figura 5). A zona central é normalmente a mais afetada, portanto será analisada neste estudo. Esta zona inclui a Praça 8 de Maio, que se situa junto à Câmara Municipal e à Igreja de Santa Cruz. A bacia hidrográfica apresenta uma área total de cerca de 1,5 km2, que pode ser dividida em três regiões com caraterísticas distintas (SÁ MARQUES et al., 2013):

  • a "baixa", que apresenta cotas topográficas reduzidas, majoritariamente ocupada por comércio e serviços, com 0,4 km2 e sistema de drenagem unitário;

  • a "alta", que possui relevo acentuado e grandes declives, altamente urbanizada e com uma área de aproximadamente 0,2 km2;

  • a área restante, que também é altamente urbanizada, com uma área de 0,9 km2, na qual são gerados os principais problemas de inundações.

Figura 5: Inundação urbana na Igreja de Santa Cruz (Praça 8 de Maio, em Coimbra), em 24 de dezembro de 2013 (AMARO, 2013). 

Para possibilitar uma avaliação adequada do comportamento da rede, definiram-se vários pontos de controle para efetuar a leitura dos resultados, a saber (Figura 6): Praça da República; Mercado Municipal; Praça 8 de Maio, que é o local crítico da zona em estudo e onde frequentemente se verificam inundações; Casa do Sal, onde se situam a estação elevatória e o DT.

Figura 6: Localização dos pontos de leitura dos resultados (adaptado de Google, 2015). 

Os principais constituintes da rede em estudo são coletores, caixas de visita, descarregadores, uma estação elevatória e um tanque de armazenamento. Os coletores apresentam uma secção circular, diâmetros compreendidos entre 200 e 1.550 mm e extensão de 34,8 km, 29 km dos quais unitários, e apenas 1,2 km são exclusivamente para águas pluviais. O tempo de concentração da bacia é estimado em 45 minutos (SÁ MARQUES et al., 2013).

O processo de construção da rede de drenagem dual, criada por Simões (2012) e utilizada neste estudo, envolveu determinadas etapas. Na fase inicial, utilizou-se a metodologia de AOFD, desenvolvida por Maksimović et al. (2009), que permitiu gerar automaticamente o desenho da rede de escoamento superficial, com base no MDT. Posteriormente, ao conjugar a rede de coletores e a de escoamento superficial, obteve-se a rede de drenagem dual (SIMÕES, 2012). Perante eventos extremos, observa-se, regularmente, água superficial na bacia da zona central de Coimbra, mesmo quando a rede de coletores ainda não entrou em carga. Este fenômeno é maioritariamente devido ao fato de a zona ser bastante inclinada, o que impossibilita que uma quantidade razoável de água entre nos coletores.

Construção do modelo

Para efetuar a modelagem da qualidade da água, foi necessário levar em consideração a contribuição de duas fontes poluentes: a água residual doméstica e a pluvial (e consequente lixiviação). Os SST existem tipicamente na água residual doméstica, e a sua concentração é normalmente elevada. As descargas com elevada quantidade de SST provocam um decréscimo da quantidade de oxigênio dissolvido (OD). Por outro lado, impedem a penetração de luz na água, inibindo a realização da fotossíntese. Quando se depositam, vão formar uma camada anaeróbica no leito, diminuindo a biodiversidade. Neste estudo, consideraram-se os valores típicos da concentração de SST para cada tipo de água, segundo Metcalf et al. (2003).

Foi efetuada uma estimativa da concentração de SST na água residual doméstica com base nos consumos associados a cada nó da rede (disponibilizados pela empresa responsável pela gestão do sistema de drenagem da cidade de Coimbra, AC, Águas de Coimbra, E.E.M.), considerando um fator de afluência de 85% e utilizando o conceito de população equivalente - PE (SÁ MARQUES & SOUSA, 2008). Este baseia-se na quantificação do número de habitantes de um aglomerado urbano necessário para originar a mesma carga de poluição gerada em qualquer outra fonte. Em termos do volume de água, uma PE corresponde a 0,2 m3/d, podendo existir outras definições de PE. No caso do parâmetro dos SST, uma PE corresponde a 90 g de SST/d. Dessa forma, obteve-se uma estimativa do número de habitantes associados a cada nó. Desse modo, resultou-se em uma PE de aproximadamente 8.000 habitantes na zona central. Posteriormente, utilizando o conceito de PE relativo ao parâmetro dos SST, obteve-se a concentração de carga poluente em cada nó, correspondente a 450 g/L. Esse valor foi considerado no modelo e constituiu uma simplificação, que foi obtida com base nos dados disponibilizados pela entidade gestora do sistema de abastecimento e drenagem de água (Águas de Coimbra).

Será descrita, a seguir, a metodologia utilizada para incluir a carga poluente proveniente de água pluvial no modelo. Começando por definir o parâmetro, considerou-se uma concentração de 1 mg de SST/L existente na água da chuva, que atinge os 100 mg de SST/L quando atinge o solo e se processa o escoamento superficial (METCALF et al., 2003). Em seguida, consideraram-se dois tipos de uso do solo (residencial e comercial), tendo sido atribuídas as porcentagens de 50,0% a cada um na bacia, dadas as características da zona em estudo. Os diferentes tipos de uso do solo vão gerar poluentes com taxas diferentes, bem como limites máximos diferentes. Em cada um, é necessário definir a acumulação e a lixiviação dos poluentes.

A função de acumulação selecionada caracteriza a acumulação de SST durante o período seco antecedente à chuva. A taxa de acumulação tende a diminuir com o tempo; no entanto, a escolha da função a considerar nunca é óbvia, mesmo quando existam dados disponíveis. Neste estudo, utilizou-se uma função exponencial para descrever a acumulação, uma vez que consiste na função mais frequentemente adotada para descrever a acumulação de sólidos (TEMPRANO et al., 2006; CAMBEZ et al., 2008; MANNINA & VIVIANI, 2010; MARCHIS et al., 2012).

Liu et al. (2011) estudaram a variabilidade dos parâmetros de acumulação de poluentes em diferentes tipos de uso do solo (residencial, comercial e industrial). Assim, numa área urbana com características semelhantes à zona analisada, estudou-se o comportamento relativo à acumulação de poluentes em várias ruas com diferentes tipos de uso do solo, incluindo medições em campo. Dessa forma, foi possível obter valores típicos dos parâmetros de acumulação de poluentes consoante ao tipo de uso do solo em estudo. Neste trabalho, foram utilizados os resultados obtidos por Liu et al. (2011) para acumulação do parâmetro de SST, nomeadamente, para solos dos tipos residencial e comercial.

Relativamente à lixiviação dos SST, utilizou-se o método de concentração média do evento, o qual é frequentemente empregado nos estudos existentes, principalmente quando não existem medições efetuadas em campo (TEMPRANO et al., 2006; BORRIS et al., 2012; THÉRIAULT & DUCHESNE, 2012). Nesse sentido, considerou-se uma concentração média do evento de 100 mg de SST/L (METCALF et al., 2003).

De forma a iniciar a simulação com alguma carga poluente acumulada, assumiu-se que decorreram cinco dias de tempo seco antecedentes à simulação. Portanto, o programa utilizou este intervalo para considerar uma carga inicial de poluente em cada bacia.

Recorrendo ao software QGIS Desktop, associaram-se os valores de caudal afluente aos nós da rede (Figura 7). Foi aplicado um diagrama de carga diária e mensal, que reproduz a variação de caudal afluente à rede ao longo do dia e consoante ao mês (SÁ MARQUES & SOUSA, 2008). Relativamente ao caudal de infiltração, considerou-se o critério proposto pelo RGSPPDADAR, ou seja, correspondendo a 100% do caudal médio anual.

Figura 7: Representação da rede de drenagem no software QGIS Desktop. 

A Estação Elevatória de Águas Residuais (EEAR), localizada na Casa do Sal, também foi considerada neste modelo, tendo sido utilizados os dados cedidos por Águas de Coimbra para este ponto. O reservatório modelado apresenta uma secção retangular, com volume de 400 m3 e altura de 2 m, e a bomba possui uma altura de elevação de 6,5 m e um caudal de 0,143 m3/s. Baseando-se nas características reais do reservatório, definiu-se no modelo que a bomba inicia o seu funcionamento quando a altura de água no reservatório atinge 1,81 m e para de bombear quando a altura de água no reservatório desce até 0,5 m.

O DT localizado na Casa do Sal (objeto weir, no SWMM) é transversal, apresenta uma secção retangular e possui altura de 0,7 m e largura de 3,5 m. Admitiu-se um coeficiente de descarga de 1,84, tal como recomendado no manual do SWMM relativamente aos DT transversais retangulares.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados que serão apresentados se referem às zonas de controle definidas anteriormente e foram obtidos considerando: precipitação (evento com um período de retorno de 100 anos e duração de 2h15min.); período de simulação de 2h30min.; cinco dias de tempo seco antecedentes; equações (modelo/método) da onda dinâmica e passo de tempo de 0,1 segundo.

Na Figura 8, encontram-se o caudal e a concentração de SST registrados no coletor da Praça da República. Numa fase inicial, ela aumenta exponencialmente devido ao fenômeno de first flush, que resulta do arraste de poluentes acumulados durante o período seco. Posteriormente, verifica-se um decaimento progressivo da concentração de SST, que resulta do arraste do poluente a jusante daquela secção.

Figura 8: Caudal e concentração de sólidos suspensos totais registrada no coletor do local A (Praça da República). 

Os resultados que se encontram na Figura 9 são relativos ao coletor que se encontra na zona do Mercado Municipal. É possível observar um comportamento semelhante ao registrado no coletor da Praça da República relativamente à concentração de SST, sendo que o caudal escoado no coletor do Mercado Municipal é superior.

Figura 9: Caudal e concentração de sólidos suspensos totais registrada no coletor do local B (Mercado Municipal). 

Ao analisar a Figura 10, é possível verificar que, perante este evento de precipitação, existe a acumulação de água superficial na Praça 8 de Maio. Por outro lado, a concentração de poluente na superfície atinge um valor máximo reduzido, que corresponde a cerca de 7 mg de SST/L.

Figura 10: Altura de água e concentração de sólidos suspensos totais registrada à superfície no local C (Praça 8 de Maio). 

Relativamente ao caudal que é descarregado pelo DT na Casa do Sal (Figura 11), nota-se que, após o início da contribuição de águas pluviais (8h45min.), mesmo com a contribuição da elevada carga poluente proveniente das águas residuais domésticas, o caudal que é descarregado pelo DT apresenta uma concentração de SST reduzida, em função do elevado fator de diluição imposto pelas águas pluviais. Dessa forma, numa fase inicial da chuva, o valor máximo obtido é de 250 mg de SST/L, devido ao fenômeno de first flush. No entanto, este pico inicial de concentração dos SST está associado a um caudal muito reduzido, o que induz um efeito desprezável no meio receptor. Posteriormente, a concentração de SST se estabiliza, apresentando um valor de 100 mg de SST/L. Levando em consideração o valor limite de emissão (VLE) atribuído à descarga de águas residuais tratadas (60 mg de SST/L), o valor da concentração de SST do caudal descarregado não é muito elevado (já que a água descarregada num DT não é tratada). Tal fato deve-se ao alto fator de diluição por causa da contribuição das águas pluviais.

Figura 11: Caudal e concentração de sólidos suspensos totais no caudal descarregado pelo descarregador de tempestade no local D (Casa do Sal). 

CONCLUSÕES

Perante as exigências legais, torna-se evidente a importância de avaliar o comportamento de uma rede de drenagem urbana em face de eventos extremos, sob o ponto de vista hidráulico e de qualidade da água. Desse modo, neste estudo, utilizou-se um conceito inovador de drenagem dual, com controle de caudal entre a rede superficial e a de coletores e com avaliação da qualidade da água, recorrendo-se ao software SWMM. Nestas circunstâncias excepcionais, torna-se crucial a avaliação da qualidade da água que é liberada nas descargas à superfície, as quais resultam pelos coletores se encontrarem cheios. Neste documento, apresentou-se uma descrição detalhada da metodologia utilizada e da sua aplicação, analisando-se o sistema de drenagem unitário da zona central de Coimbra. Este modelo considerou o poluente de SST, por ser frequentemente utilizado para aferir sobre a qualidade da água e por ter sido analisado nos estudos promovidos por diversos autores (TEMPRANO et al., 2006; CAMBEZ et al., 2008; LIU et al., 2011).

Tal como era esperado, o modelo mostra a ocorrência do fenômeno de first flush, que resulta do arraste inicial de poluentes acumulados durante o período seco, o que provoca um pico no início da evolução da concentração de SST. Levando em consideração o VLE atribuído à descarga de águas residuais tratadas (60 mg de SST/L), o valor da concentração de SST do caudal descarregado não tratado não é muito elevado (100 mg de SST/L). Tal fato deve-se ao elevado fator de diluição em função da contribuição de águas pluviais associadas a um evento de precipitação com um período de retorno de 100 anos. Dessa forma, pode-se concluir que, nas circunstâncias estudadas, a carga poluente descarregada pelo DT pode ter um reduzido impacto ambiental no meio receptor.

O objetivo principal deste estudo foi propor uma metodologia para a simulação dos fenômenos complexos de drenagem urbana quer em termos hidráulicos, quer em termos de qualidade da água recorrendo ao SWMM. A metodologia desenvolvida possibilita o surgimento de novas análises no âmbito da modelação avançada dos sistemas de drenagem, principalmente, na análise da qualidade da água, recorrendo a um software open source e freeware. O tipo de simulação proposta poderá permitir melhorar a operação dos sistemas de drenagem existentes por meio da análise de diferentes cenários, bem como encontrar técnicas e práticas de dimensionamento de sistemas futuros mais adequadas aos meios urbanos onde se inserem, que são alvo de evolução e transformação constantes. Nesse sentido, esta ferramenta permite avaliar o impacto ambiental de descargas que ocorrem em situações extremas, com vista ao cumprimento das recomendações legais. É importante citar que os fenômenos de acumulação e lixiviação de poluentes em sistemas de drenagem unitários são influenciados por diversas variáveis que ainda são difíceis de prever e medir, principalmente em fenômenos de cheias urbanas de curta duração, o que dificulta uma completa validação do modelo em termos de qualidade da água.

REFERÊNCIAS

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Recebido: 18 de Março de 2016; Aceito: 24 de Junho de 2016

Endereço para correspondência: Nuno Eduardo Simões - MARE, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra - Rua Luís Reis Santos, 3.030/788 - Coimbra, Portugal - E-mail: nunocs@dec.uc.pt

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