OTIMIZAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE TÉCNICAS COMPENSATÓRIAS DE
BIORETENÇÃO EM CLIMA SUBTROPICAL
Marina Batalini de Macedo 1* & Altair Rosa 2& Eduardo Mário Mendiondo 3& Vladimir Caramori Borges de Souza 4
Resumo – A drenagem urbana no Brasil esteve focada historicamente no tratamento hidráulico para
a condução do escoamento superficial. Estes dispositivos convencionais apresentam diversos problemas de elaboração e execução, além de não considerarem os efeitos da poluição difusa de origem pluvial nos corpos hídricos. Nesse sentido, as técnicas compensatórias (TCs) se apresentam como uma alternativa aos sistemas convencionais, permitindo uma abordagem integrada quali-quantitativa do tratamento do escoamento superficial. No entanto, os estudos de análise de eficiência desses dispositivos estão focados em regiões de climas temperados. No mais, a análise dos custos totais para sua implantação e operação como forma de suporte a tomada de decisão também se apresentam deficientes. Assim, este estudo tem como objetivo a avaliação integrada da utilização de técnicas compensatórias em uma escala de micro drenagem em clima subtropical. A avaliação da eficiência de retenção hidráulica, eficiência marginal e eficiência generalizada são enfoques principais do trabalho. A análise da eficiência marginal com base nos custos obtidos para implantação e operação da TC demonstrou que há uma amortização do investimento anual ao longo do tempo de vida útil da obra, sendo, portanto, uma alternativa viável economicamente a longo prazo.
Palavras-Chave – Escoamento superifical; Poluição difusa; Eficiência marginal.
OPTIMIZING BIORRETENTION EFFICIENCY OF STORMWATER
TREATMENT PRACTICES IN SUBTROPICAL CONDITIONS
Abstract – Urban drainage in Brazil has historically been focused on the runoff conduction through
hydraulic treatment. These conventional devices have many design and implementation problems, and does not consider the diffuse pollution effects in water bodies. Therefore, stormwater treatment practices are presented as an alternative to conventional systems, which enable an integrated qualitative and quantitative runoff treatment. However, efficiency studies have been focused in temperate climates regions. Further, there are also a lack of total implementation and operation costs analysis, as a way to support the decision-making actors. Therefore, this study aims the bioretention integrated evaluation on a micro drainage scale in subtropical climate. The hydraulic retention efficiency, marginal efficiency and overall efficiency evaluation are the main focuses of this paper. The analysis of the marginal efficiency based on the costs obtained for bioretention device implementation and operation demonstrated that there is an annual investment depreciation over the device lifetime, presenting itself as an economically viable alternative in long-term.
Keywords – Stormwater; Diffuse polution; Marginal Efficiency.
1 * Mestranda no PPG-SHS/EESC/USP, marina_batalini@hotmail.com 2 Doutorando no PPG-SHS/EESC/USP, altairrosa@yahoo.com.br
3 Professor do Depto. Hidráulica e Saneamento, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo (SHS/EESC/USP), emm@sc.usp.br 4 Professor do Centro de Tecnologia da Universidade Federal de Alagoas, vcaramori@yahoo.com
INTRODUÇÃO
O processo acelerado de urbanização sem um eficiente modelo de planejamento urbano e ambiental acarretou modificações muitas vezes irreversíveis, principalmente no cenário local. Para Mota (2011), qualquer transformação de um ambiente natural para um meio urbano sempre resultará em alterações ambientais, cabendo ao homem minimizar o grau de seus de impactos e se acontecerem que sejam os menores possíveis. Entre esses impactos cita-se a impermeabilização do solo que consequentemente aumenta o escoamento superficial, podendo mesmo chegar a interferir no ciclo hidrológico gerando danos e problemas urbanos.
No Brasil, o tratamento do escoamento superficial esteve focado na condução hidráulica, prevalecendo ainda atualmente (Pômpeo, 2000). Projetos e sistemas de drenagem mal elaborados e mal executados podem gerar problemas com poluição de origem pluvial. Devido a ineficiência do atual sistema de drenagem, estudos com técnicas compensatórias (TCs) vêm sendo desenvolvidos como uma forma alternativa aos convencionais. Uma revisão e discussão sobre as TCs e suas tipologias foi feita por Baptista et al. (2005). As TCs representam uma abordagem interdisciplinar da drenagem urbana, uma vez que envolve o trabalho conjunto de engenheiros, sanitaristas, climatologistas, além de ser essencial a participação social e educação ambiental no processo decisório, segundo Fletcher et al. (2012).
A poluição difusa de origem pluvial também vem ganhando importância nos estudos de qualidade ambiental, devido a sua grande contribuição na deterioração dos corpos hídricos. Estudos desenvolvidos pela EPA (1983) confirmaram as fontes de poluição difusa como as principais causadoras de degradação da qualidade dos escoamentos superficiais. Neste sentido, a utilização de TCs como uma alternativa integrada para tratamento quali quantitativo do escoamento superficial se apresenta de forma promissora.
Para a determinação da poluição difusa presente na água de drenagem Tucci (2002) afirma que os principais indicadores de qualidade são os parâmetros que caracterizam poluição orgânica e a quantidade de metais. Dietz (2007) faz uma revisão dos parâmetros de qualidade analisados nos estudos sobre TCs e encontra como principais: Nitrogênio Total, Fósforo Total, série de sólidos e metais, sendo que há ainda poucas análises do efeito da técnica sobre temperatura e micro organismos.
Quanto a análise da eficiência das TCs para o tratamento da poluição difusa, os trabalhos recentes estiveram focados na avaliação da capacidade de remoção de nutrientes e sólidos, apresentando resultados gerais positivos, como observado por Bratieres et al. (2008), Dittmer e Schmitt (2011), Liu et al (2014), Wang e Sample (2014). No entanto, Dietz (2007) percebeu em sua revisão que para o fósforo a eficiência de remoção não é tão elevada quanto para os outros parâmetros, sendo esta dependente do tipo de solo encontrado na técnica.
Atualmente, não existe consenso entre as metodologias de dimensionamento das técnicas e a análise de sua eficiência. Estudos e pesquisas focam áreas de clima temperado, nas quais as condições geoclimáticas, sanitárias e sociais se apresentam muito diferentes daquelas nas áreas de clima subtropical. Assim, o estudo de adaptações e monitoramento de TCs para regiões tropicais e subtropicais apresenta-se frágil e carente.
O principal enfoque desta pesquisa é avaliar a utilização de técnicas compensatórias de detenção e biorretenção em escala de micro drenagem, para clima subtropical, verificando a sua eficiência no controle do escoamento superficial, como também no tratamento da poluição difusa aportada nas águas de drenagem. O estudo também permite avaliar a eficiência marginal relativa à retenção hidráulica proporcionada pela técnica, parâmetro que permite quantificar o valor requerido relativo à retenção de 1 mm de lâmina excedente, gerando informação suporte a atores que visam a aplicação em campo de TC de bioretenção.
OBTENÇÃO DE PARÂMETROS Área de aplicação
A TC foi dimensionada e executada na Área II do Campus da USP - São Carlos (Figura 1a), na cabeceira do Córrego do Mineirinho. A área de aplicação ainda se encontra pouco urbanizada, uma vez que a sua ocupação por parte da USP - São Carlos ainda se encontra recente, tendo seu primeiro prédio didático finalizado e inaugurado no ano de 2005. De acordo com informações da Prefeitura de Campus, aproximadamente 30% do terreno são caracterizados como área de preservação ambiental (Figura 1c).
Figura 1 - Área de aplicação da TC a) Mapa da Área II do Campus USP – São Carlos, contendo todas as TCs propostas para o local; b) Mapa da área de aplicação da TC 4, contendo a sua área de contribuição para drenagem; c)
Imagem de satélite da área de aplicação da TC 4, permitindo observar seu uso e ocupação do solo.
Dimensionamento
O dimensionamento foi efetuado seguindo uma criteriosa proposta metodológica. As Figuras 2 e 3 mostram um perfil esquemático da TC e uma imagem real da TC implementada. A TC de biorretenção seguiu os critérios e eficiências generalizadas (detenção conjugada com biorretenção) e o desempenho conjunto será verificado comparando a eficiência quali-quantitativa. A TC foi dimensionada para atender metas de eficiência de quantidade e de qualidade. A avaliação da eficiência generalizada, com base em pesos da eficiência individual, será avaliada para um horizonte temporal de vida útil, previsto para o período 2014-2100.
Proposição de monitoramento qualitativo e quantitativo
Para se avaliar a eficiência do controle da poluição difusa pelo uso de TCs na drenagem urbana é necessário realizar o monitoramento qualitativo ao longo da técnica e do seu tempo de utilização. Dessa forma, com base nos estudos já realizados, propõe-se a análise dos parâmetros: temperatura, cor, turbidez, pH, ferro, chumbo, zinco, DQO, DBO, oxigênio dissolvido, nitrogênio amoniacal, nitrito, nitrato, nitrogênio orgânico, nitrogênio total, fósforo total e sólidos gravimétricos.
a)
b)
Figura 2 – Perfil esquemático da TC a) longitudinal e b) transversal com suas dimensões.
A análise da eficiência com enfoque qualitativo também se dá sabendo a evolução dos parâmetros em seu perfil longitudinal e no tempo, reconhecendo zonas com maior capacidade de tratamento e os efeitos da colmatação ao longo de sua utilização. Assim, propõe-se a coleta de amostras para análise em cinco pontos localizados ao longo da técnica, conforme Figura 3, sendo essas coletadas continuamente por meio de amostrador automático.
Figura 3 – Localização esquemática dos pontos de coleta de amostra de água e quantificação de vazão, com sua representação real - a) Ponto de entrada da TC; b) Tubos de visita distribuídos longitudinalmente; c) Ponto de saída.
O monitoramento quantitativo pode ser realizado nos mesmos cinco pontos apresentados na Figura 3 permitindo quantificar as vazões afluente, efluente e infiltrada ao longo da técnica. A sua obtenção deve ser feita automaticamente e continuamente por meio de sensor de nível, com base na pressão do fluido. A quantificação do balanço hídrico na técnica permite conhecer a real capacidade de retenção hidráulica do escoamento superficial da TC e qual sua influência no processo de infiltração do solo.
A integração das observações espaciais e temporais resulta na obtenção de elementos que permitem a otimização da utilização das TCs e de seu dimensionamento, no que se refere à forma de tratamento da poluição difusa e retenção hidráulica.
a) b) c) Sensor de nível a) b)
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA
Análise da eficiência de retenção hídrica
A eficiência de retenção hídrica apresenta um padrão de comportamento ao longo do tempo de vida útil da obra, representado genericamente pela Figura 4. Esta eficiência, conforme se observa na equação 1, é função de variáveis que dependem do tempo, como por exemplo DPe que varia de acordo com o nível de colmatação da obra, impedindo a infiltração da lâmina líquida no meio filtrante. No decorrer da vida útil, conforme o processo de colmatação evolui, a eficiência decai até o ponto em que é necessário realizar a manutenção corretiva da obra (troca do leito filtrante), retornando à sua eficiência inicial. O padrão apresentado demonstra a importância de se realizar a manutenção no decorrer da vida útil para o correto funcionamento do dispositivo projetado.
⁄ (1) Onde:
Effret = Eficiência de retenção hídrica;
DPe = Diferença entre a lamina acumulada de escoamento de uma tormenta que entra na TC e a lamina acumulada de escoamento que sai da TC, representando a retenção efetiva da técnica;
Peentrada = Lâmina acumulada de entrada, representando a vazão afluente à técnica, em mm.
Figura 4 – Curva de eficiência da retenção hídrica ao longo do tempo de vida útil da obra – A linha vermelha pontilhada representa as manutenções corretivas realizadas ao longo do tempo, que permitem a reabilitação da obra para sua
eficiência de projeto. Adaptado de Cordero (2012).
Análise da eficiência marginal
Uma análise importante da aplicação de uma TC em campo é em relação ao seu custo total necessário para implantação e operação ao longo do tempo. Esta serve como informação complementar e suporte para os atores que desejam implantar técnicas de bioretenção, como também parâmetro para otimização de custos para uma mesma eficiência de tratamento. Estudos envolvendo análises de custos ainda são deficientes, sendo, portanto, uma carência a ser suprida.
A partir dos dados dimensionados de retenção hidráulica da lâmina excedente, podendo ser aprimorados por meio do monitoramento quantitativo, se torna possível realizar a análise da eficiência marginal do sistema implantado em uma região de clima subtropical, conforme equação 2. A Effmaringal permite visualizar o custo necessário acumulado para se tratar 1mm de lâmina excedente em função do tempo de vida útil, apresentando a amortização dos custos ao longo do tempo.
Onde:
Effmarginal = Custo unitário de tratamento da lâmina excedente, em R$.mm-1.ano-1;
Custo total da TC = Custos totais de investimento, operação e manutenção da técnica, em R$. DPe = Diferença entre a lamina acumulada de escoamento de uma tormenta que entra na TC e a lamina acumulada de escoamento que sai da TC, representando a retenção efetiva da técnica, representada em mm;
Tempo = tempo de vida útil, em anos.
Na Figura 5 observa-se os valores obtidos de Effmarginal ao longo dos anos de operação da TC aplicada em campo, escolhendo-se aqueles onde estão previstas as expansões modulares da obra. O cálculo foi realizado com base nos dados de dimensionamento e dos custos acumulados utilizados para sua construção e previsão de manutenção e operação. O comportamento apresentado demonstra um alto valor de investimento inicial, relativo à construção da obra. Ao longo da vida útil os custos acumulados se amortizam, mostrando que o investimento anual necessário tende a decrescer, mesmo com as necessidades de manutenção corretiva e com a expansão modular, permitindo tratar maior lâmina excedente. Com esses resultados se justifica o custo-benefício da aplicação das técnicas de bioretenção como dispositivo de drenagem urbana a longo prazo.
Figura 5 – Curva de eficiência marginal da retenção hídrica para a TC4 aplicada em campo.
Análise da eficiência generalizada de tratamento
Os resultados obtidos qualitativos e quantitativos serão avaliados por meio do conceito de eficiência generalizada effTC(θ,f), a partir da utilização de matrizes ecohidrológicas, como as propostas pelos autores Mendiondo (2008), Pataki et al. (2011) e Lafont et al. (2010). A poluição difusa será avaliada por meio dos parâmetros propostos para análise, que caracterizam poluição orgânica e inorgânica (Tabela 1).
A análise dos resultados da effTC(θ,f), feita a partir da base ecohidrológica, segue dois critérios principais, sendo que o primeiro inclui a simulação dos eventos de chuva-vazão na bacia em que a TC foi instalada no clima para variação das curvas IDFs locais, nos cenários de mudanças climáticas em horizontes futuros, sendo esses definidos como t = {2025, 2050, 2100}. Esta análise será auxiliada com os dados do projeto temático FAPESP IVA. O segundo critério, por sua vez, inclui as mudanças no uso e ocupação do solo, que irão ocasionar mudanças nas áreas que geram e contribuem com cargas específicas para a poluição difusa. Para o período de 2000 a 2100 será
R$ R$ 5.000 R$ 10.000 R$ 15.000 R$ 20.000 R$ 25.000 R$ 30.000 R$ 35.000 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 Ef ifm a rg in a l (R$ .m m -1.a n o -1)
adaptado a estes o cenário A12 proposto pelo IPCC e adaptado pela Avaliação Ecossistêmica do Milênio (MEA, 2005).
Tabela 1 – Relações experimentais previstas entre variáveis para controle da poluição difusa na microdrenagem (linhas) com base em indicadores ecohidrológicos (colunas). Fonte: Mendiondo (2008).
Legenda: sinal indica a correlação experimental esperada e o intervalo do coeficiente de determinação (R2); ++: correlação positiva e R2>0.8; +: correlação positiva e 0.5<R2<0.8; +/-: sem correlação e R2<0.5; -: correlação negativa e 0.5<R20.8; - -: correlação negativa e R2>0.8.
Análise dos efeitos em macro-drenagem
Também serão avaliados os efeitos da utilização das TCs em uma escala de macro-drenagem a partir da modelagem integrada qualidade-quantidade utilizando o programa SWMM 5.0. Este é um modelo/software de simulação dinâmica chuva-vazão, integrando também os parâmetros de qualidade da água e as cargas de poluente, podendo ser usado tanto para eventos únicos, como também em simulações contínuas de longo prazo do escoamento superficial e sua qualidade, principalmente para áreas urbanas.
O programa opera sobre diversas sub bacias que recebem precipitações e geram cargas de escoamento de poluentes, simulando a quantidade e qualidade do escoamento gerado dentro de cada uma, interagindo com a vazão, profundidade, fluxo e qualidade da água dentro de cada tubulação e sistemas de drenagem encontrados na mesma, durante um período dado. Sua versão 5.0 foi estendida para incorporar a modelagem do desempenho hidrológico de tipos específicos de LID, como pavimentação permeável, telhados verdes, trincheiras de infiltração, permitindo determinar sua efetividade no manejo da drenagem urbana.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A análise de eficiência permite visualizar qual o real impacto da utilização de uma TC de bioretenção em sua micro bacia de aplicação, verificando se há uma real diminuição da vazão de pico, como também se há uma diminuição da carga de poluição difusa que atinge o corpo hídrico. O custo-benefício da TC, representado pela Effmarginal, também é um parâmetro de importante análise, permitindo avaliar o investimento inicial e o investimento anual necessário para aplicação de TC de bioretenção na microdrenagem, servindo como suporte para os atores tomadores de decisão. Em nossa análise foi possível observar uma diminuição do investimento anual ao longo do tempo de vida útil da técnica, demonstrando que ela se apresenta como uma alternativa de dispositivo de drenagem viável e competitiva economicamente a longo prazo.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio dos projetos: (1) MAPLU2 – Manejo de Águas Pluviais no Meio Urbano/FINEP, (2) Projeto Temático 2008/15161-1 FAPESP “Assessment of Impacts and
Vulnerability to Climate Change in Brazil and Strategies for Adaptation Options”, (3) Casadinho/PROCAD CNPq 552494/2011-9 (UFAL-EESC/USP) “Monitoramento avançado de processos biotecnológicos e qualidade ambiental”, e (4) CNPq PQ 307637/2012-3 de Produtividade científica.
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