XII SIMPÓSIO DE RECURSOS HIDRÍCOS DO NORDESTE
MÉTODO DE ALOCAÇÃO DE PONTOS PARA MONITORAMENTO DA
QUALIDADE DE ÁGUAS SUPERFICIAIS UTILIZADO NA RNQA
Maurrem Ramon Vieira 1; Ana Paula Montenegro Generino 2& Renata Bley de Oliveira da Silveira3
RESUMO – A ANA desenvolveu uma metodologia própria para alocação dos pontos da RNQA. Essa metodologia considera uma rede de tendência para monitorar a qualidade das águas superficiais com três tipologias de pontos: impacto (mede ação antrópica), referência (averigua qualidade da água sem ação antrópica) e estratégico (importante para a gestão de recursos hídricos). Em uma bacia hidrográfica, os elementos externos (nascentes) são ordenados com base na divisão da Q95 do exutório da bacia pelo número de nascentes. As cidades também são elementos externos
que influenciam o ordenamento dos trechos de rio da bacia de acordo com a sua demanda hídrica, quantidade de água necessária para diluir a DBO gerada pela cidade até o limite da classe 2 previsto na CONAMA 357/2005 (considerando que cada habitante produz 54 g DBO/dia). Caso haja tratamento de esgotos nas cidades, há um desconto de 60% na carga de DBO do esgoto tratado. Assim, as bacias são ordenadas e divididas em centros de massa de diversas ordens até que se atinja o número total de pontos previsto para a bacia. Esses pontos são posteriormente deslocados para coincidir com locais próximo do original, mas com melhor acessibilidade ou que representassem as três tipologias de pontos previstas.
ABSTRACT– Brazil’s National Water Agency has developed its own methodology for the location of National Water Quality Monitoring Network points. This methodology considers a trend network to monitor water quality using three tipology of monitoring points: impact (measures antropic action), reference (measures water quality without antropic action) and strategic (important for water resources management). In a given river basin, the external elements (springs) are ordered based on the division of the river mouth’s Q95 per the springs number. Cities are also external
elements that influence the orders of river’s stretchs in the basin according to its hydrical demand, the amount of water needed to dilute citie’s DBO until the class 2 limit as in CONAMA 357/2005 (consider that each inhabitant produces 54 g DBO/day). If there is sewage treatment in the city, there is a 60% discount in the DBO’s load from the treated sewage. This way, the river basin is being ordered and divided in centroids of diferente orders until that is enough monitoring points for the basin. Then, these monioring points are moved to dislocated close to the original placement, but with better accessibility or that better represents the three tipology points.
Palavras-Chave – Alocação de pontos, rede de qualidade de água
1) Especialista em Recursos Hídricos da Agência Nacional de Águas. Setor Policial, área 5, quadra 3, bloco B, 213. (61) 2109-5285. Maurrem@ana.gov.br
2) Especialista em Recursos Hídricos da Agência Nacional de Águas. Setor Policial, área 5, quadra 3, bloco B, 213. (61) 2109-5180. Ana.generino@ana.gov.br
3) Especialista em Recursos Hídricos da Agência Nacional de Águas. Setor Policial, área 5, quadra 3, bloco B, 213. (61) 2109-5304. Renata.oliveira@ana.gov.br
INTRODUÇÃO
Por monitoramento entende-se o conjunto de práticas que visam o acompanhamento ao longo do tempo de determinadas características de um sistema, sempre associado a um objetivo. As práticas relacionadas ao monitoramento de qualidade de água incluem a coleta de amostras de água e determinação de parâmetros em locais específicos (georreferenciados), feita em intervalos regulares de tempo, de modo a gerar informações que possam ser utilizadas para a definição das condições presentes de qualidade da água e para o estabelecimento de tendências (Chapman, 1996).
No monitoramento de qualidade de água são acompanhadas alterações nas características físicas, químicas e biológicas da água decorrentes de atividades antrópicas e de fenômenos naturais. É fundamental que associado a este monitoramento seja feita a determinação da vazão, de forma a determinar a carga de poluentes.
A avaliação da qualidade da água pode se dar a partir de diversas configurações, em termos de localização dos pontos de monitoramento, periodicidade e tipo de parâmetros monitorados, sempre em função dos objetivos visados. No caso do monitoramento básico a configuração é realizar o monitoramento em pontos estratégicos para acompanhamento da evolução da qualidade das águas, identificação de tendências e apoio à elaboração de diagnósticos.
Além disso, os resultados obtidos no monitoramento básico permitem a identificação de locais onde é necessário um maior detalhamento. A frequência deste tipo de monitoramento acompanha os ciclos hidrológicos, ou seja, geralmente varia de uma frequência mínima trimestral até uma frequência mensal. Os parâmetros monitorados nesta modalidade devem estar relacionados com o tipo de uso e ocupação da bacia contribuinte ao ponto e com os objetivos da rede. Sendo assim, tanto a localização das estações quanto os parâmetros monitorados devem ser reavaliados periodicamente.
OBJETIVOS DO MONITORAMENTO DA RNQA
O objetivo básico da Rede Nacional de Monitoramento de Qualidade das Águas - RNQA é o suprimento de informações para aplicação dos instrumentos de gestão da Política Nacional de Recursos Hídricos - PNRH, em especial: os planos de recursos hídricos, a outorga de direito de uso; o Sistema de Informações sobre Recursos Hídricos; e o enquadramento dos corpos d’água em classes.
Para atender ao objetivo básico, são identificados os seguintes objetivos específicos da RNQA: determinação do nível atual de qualidade dos corpos d’água; identificação de tendências temporais da qualidade da água; identificação das condições de entrega das águas nas divisas
estaduais, em consonância com os Planos de Bacia; identificação da qualidade das águas que afluem ao Brasil e que são entregues aos países vizinhos, em atendimento a acordos internacionais (CIC4, OTCA5).
Para atender aos objetivos específicos foram identificadas três tipologias de pontos que devem compor a RNQA:
Pontos de Referência: tem como objetivos estabelecer parâmetros característicos do corpo d’água em estado “natural” para avaliação do efeito das atividades antrópicas; auxiliar no enquadramento. Representam 10% dos pontos da Rede.
Pontos de Impacto: tem como objetivos verificar a ocorrência de desconformidades em relação ao enquadramento; verificar as alterações nas condições “naturais” e possíveis causas; verificar o impacto das ações de gestão e despoluição; identificar novas ações necessárias ao controle da poluição. Os pontos de impacto representam 60% dos pontos da Rede.
Pontos Estratégicos: tem como objetivos avaliar as cargas poluentes em pontos nos rios em que ocorre mudança de dominialidade; avaliar as cargas poluentes nos rios localizados nas fronteiras nacionais; avaliar a cargas poluentes em pontos nos rios localizados nos exutórios dos principais afluentes de rios federais; avaliar as cargas nos rios em locais próximos a grandes projetos de captação (transposição, irrigação, etc). Representam 30% dos pontos da Rede.
Em todos os pontos – referência, impacto e estratégico – é imprescindível a determinação da vazão para o cálculo das cargas.
METODOLOGIA PARA ALOCAÇÃO DAS ESTAÇÕES DE MONITORAMENTO DE QUALIDADE DE ÁGUA DA RNQA
A alocação dos pontos de monitoramento é realizada em duas etapas. A primeira refere-se à macro locação das estações, que tem como objetivo definir as grandes regiões onde é necessária uma maior densidade de rede, e pode ser realizada a partir de uma avaliação da disponibilidade hídrica e da vazão necessária para diluição de efluentes, tendo como referência uma vazão de restrição, por exemplo: a Q95, a Q7,10, ou outras.
A segunda etapa refere-se à definição precisa dos locais onde deve ser realizado o monitoramento, tendo como base as densidades de rede definidas na macro locação. As duas etapas devem ser realizadas tendo como referência os objetivos pretendidos com o monitoramento.
4Comitê Intergovernamental Coordenador dos Países da Bacia do Prata – Programa marco para gestão sustentável dos recursos hídricos da bacia do Prata, considerando os efeitos hidrológicos decorrentes da variabilidade e mudanças climáticas
Macro locação - Definição das densidades da RNQA
A macro locação de pontos de monitoramento de qualidade de água é utilizada para identificação das regiões que apresentam maior probabilidade de ocorrência de desconformidades nos níveis de parâmetros de qualidade de água, e que necessitam de uma maior densidade de pontos de monitoramento. A macro locação considera basicamente a disponibilidade hídrica regional e o processo de diluição.
Os valores de referência utilizados na identificação da desconformidade nos níveis dos parâmetros de qualidade de água são aqueles constantes na Resolução CONAMA n° 357/2005 para a classe na qual o trecho de rio está enquadrado.
O processo de diluição consiste na redução da concentração de um poluente específico presente em um caudal contaminado, devido a sua mistura com um caudal com uma concentração menor do poluente. A diluição pode ser quantificada através de um balanço material expresso pela equação: P 0 P P 0 0 f Q Q Q C Q C C (1)
onde: Cf: é a concentração do poluente após a diluição; C0: é a concentração do poluente no corpo
receptor antes de receber a carga de poluente; Q0: é a vazão do corpo receptor antes de receber a
vazão de poluente; CP: é a concentração do poluente no efluente; e QP: é a vazão do efluente.
É importante o conhecimento da vazão do corpo receptor, ou a produção hídrica de uma determinada região, para se estimar a carga efetiva de poluente que pode ser lançada nos cursos d’água sem que a concentração do poluente supere os valores limites estabelecidos para a classe na qual os cursos d’água estão enquadrados.
Sendo assim, é desejável que esta vazão corresponda a uma vazão de restrição do corpo d’água, para que em nenhuma época do ano a sua qualidade seja comprometida pelo lançamento de efluentes, como por exemplo, a vazão com permanência de 95% (aquela que é excedida ou igualada em 95% do tempo).
A ANA no documento “Disponibilidade e Demandas de Recursos Hídricos nas Regiões Hidrográficas Brasileiras” determinou as vazões médias, a Q95 e a disponibilidade hídrica dos
principais rios brasileiros e elaborou um mapa hídrico do Brasil onde estas informações foram incorporadas. A disponibilidade hídrica é definida nesse documento da seguinte forma: em rios sem regularização, a disponibilidade hídrica foi estimada a partir de uma vazão de estiagem – Q95. Em
rios com regularização, a disponibilidade hídrica foi igual à vazão regularizada com 100% de garantia somada ao incremento de vazão com permanência de 95%.
A determinação da disponibilidade hídrica para as regiões hidrográficas Araguaia-Tocantins, São Francisco e Paraná foi baseada nos resultados do projeto intitulado “Revisão das séries de vazões naturais nas principais bacias do Sistema Interligado Nacional” (ONS, 2003)6. Este projeto calculou as vazões naturais entre os principais aproveitamentos hidrelétricos para o período entre os anos de 1931 e 2001.
Nas demais regiões, as vazões foram obtidas a partir dos registros das estações fluviométricas sob responsabilidade da ANA, disponíveis no HIDROWEB (www.ana.gov.br). Para cada unidade hidrográfica de referência, foi selecionada a estação fluviométrica mais próxima à foz, com a série hidrológica mais extensa (preferencialmente superior a 15 anos de dados). Em situações nas quais não se dispunha de dados foram adotados valores de vazões específicas de bacias contíguas de comportamento hidrológico similar.
As unidades geográficas de trabalho adotadas para a macro locação das estações foram as bacias e regiões hidrográficas definidas pelo sistema de classificação e codificação de bacias hidrográficas de Otto Pfafstetter nível 4 (Silva, 1999), conforme figura 1.
Figura 1- Mosaico de bacias e regiões hidrográfica Otto nível 4
Para cada sub-bacia ou região hidrográfica de nível 04 determinou-se a produção hídrica, através da Q95 no exutório da sub-bacia; ou da diferença entre a Q95 total afluente e efluente à
região, nomeada de produção hídrica segura.
A opção por trabalhar com a produção hídrica segura permite avaliar de forma mais realista a situação das regiões e bacias hidrográficas quanto à qualidade das águas. Cada região e bacia nível 04 é tratada de forma independente, em termos de produção hídrica segura e geração de efluentes, sem considerar a Q95 proveniente de regiões ou bacias à montante, permitindo assim identificar as
regiões em que a produção de água é insuficiente para a diluição dos efluentes gerados.
Para avaliação da poluição é necessária a definição de um ou mais parâmetros que caracterizem os principais tipos de poluição na região em estudo. Os valores limite utilizados na identificação do stress hídrico para diluição de carga poluidora são aqueles constantes na Resolução CONAMA 357 de 2005, de acordo com a classe do trecho de rio. No caso do Brasil, a principal fonte de poluição dos corpos hídricos é o lançamento de esgotos domésticos sem tratamento ou com tratamento insuficiente. Sendo assim o parâmetro mais indicado para avaliação deste tipo de poluição é a DBO5. O limite permitido para águas de classe 2 é de 5,0 mg/L de DBO5.
De acordo com a ABNT NBR n° 7.229 (1993), a produção per capta média de DBO5 é de 54
g/hab.dia. Para diluir esta quantidade de DBO até o limite permitido para águas de classe 2 são necessários aproximadamente 0,125 L/s.hab. A vazão necessária para diluição da DBO5, por bacia
ou região hidrográfica Otto nível 4, é determinada a partir do senso populacional do IBGE, por município, totalizado para as bacias e regiões Otto nível 4, multiplicado pela vazão per capta de diluição.
Quando outros parâmetros são estudados, é necessário um cadastramento das cargas de lançamentos para efetuar a avaliação da concentração teórica final no corpo receptor.
A partir do cruzamento das informações da produção hídrica segura nas regiões Otto nível 04 com a vazão necessária para diluição da DBO5 até o valor limite da classe do trecho de rio,
Figura 2 – Mapa do Brasil com as regiões em stress hídrico para diluição de DBO5 pintadas em verde
Nas bacias e regiões hidrográficas em stress hídrico a densidade de pontos de monitoramento deve ser de no mínimo 1 ponto/1000 km2. Nas demais regiões a densidade foi estabelecida em conformidade com a densidade populacional, ou seja, para a bacia amazônica foi definida uma densidade de 0,1 ponto/1000 km2, e para a região compreendida pelos estados de Mato Grosso do Sul, Goiás, Tocantins, Maranhão e Piauí, foi definida uma densidade de 0,5 ponto/1000 km2.
A estimativa da demanda de água para diluição foi feita tomando como base a população total de cada região Otto nível 04, descontada a parcela dos esgotos tratados (eficiência adotada de 60%). Para as regiões com criação intensiva de suínos foi calculada a população equivalente e incorporada à população local, tendo com base a relação para produção de DBO de 1 suíno equivalente a 10 pessoas.
Micro Locação – Definição dos trechos de rios
A micro locação ou definição dos trechos de rios que devem ser monitorados foi baseada nos trabalhos de Sharp (1971) e de Sanders, que aparece pela primeira vez com o trabalho de Clarkson (1979).
Método de Sharp (1971)
O método de Sharp é baseado no ordenamento de rios na bacia proposto por Horton (1945) e no cálculo do centro de massa da rede de drenagem.
De acordo com Horton (1945), cada tributário inicial ou formador é de ordem ou magnitude um, sendo denominado elemento externo. Toda vez que dois elementos externos se juntam formando um novo elemento, este último recebe o nome de elemento interno e possui ordem ou magnitude dois. Quando quaisquer dois elementos internos ou externos se juntam, possuindo magnitudes M1 e M2, o elemento interno resultante terá ordem de magnitude (M1 + M2).
O procedimento de adição das magnitudes é seguido até que se chegue ao exutório da bacia hidrográfica, ou seja, a cada junção somam-se as magnitudes dos elementos que estão se juntando. O resultado deste processo é que se a bacia contiver N elementos externos, a magnitude do exutório, M0, será N.
O elemento que divide a rede de drenagem aproximadamente ao meio, no que diz respeito ao número de contribuintes, é chamado de centro de massa, de gravidade, baricentro, ou centróide da rede de drenagem. A magnitude do centro de massa da rede drenagem, MC, pode ser calculada segundo a Equação (Sharp, 1971):
2 1 0 M MC (2)
O primeiro centro de massa definido divide a rede de drenagem da bacia hidrográfica em duas partes aproximadamente iguais. Para cada uma destas partes, de jusante e de montante em relação do primeiro centro de massa, pode ser aplicado o mesmo procedimento encontrando os segundos centros de massa e assim sucessivamente até que se chegue aos contribuintes externos de ordem um, cobrindo-se assim toda a rede de drenagem.
Para a determinação dos demais centros de massa aplicamos a mesma expressão, que pode ser generalizada da seguinte forma:
2 ) 1 (m N CNm M M (trecho de montante) (3) CNm m CN CNj M M M ( )1 (trecho de jusante) (4)
O trecho do rio designado pela primeira divisão, primeiro centro de massa, da rede de drenagem recebe a classificação de primeiro nível hierárquico. A divisão da rede de drenagem em quartos define o segundo nível hierárquico, e assim por diante.
É importante notar que o elemento Mi, cuja magnitude será especificada em cada hierarquia,
Para encontrar o tributário em que se encontra a fonte de poluição, Sharp propôs que as amostras fossem tomadas segundo o nível hierárquico, iniciando-se pela amostragem no primeiro nível hierárquico, até que a fonte de poluente seja encontrada.
Método de Sanders - Alocação baseada no número de descargas pontuais de poluentes
A modificação no procedimento de Sharp, realizada por Sanders, é a consideração das fontes pontuais de poluição como contribuintes, e aparece pela primeira vez no trabalho de Clarkson (1979).
Este método utiliza o procedimento de Sharp para a localização de estações, contudo considera cada descarga individual de poluente identificada na rede de drenagem como sendo um elemento externo de ordem um. Com esta modificação e utilizando as equações de Sharp, os centros de massa da rede de drenagem são deslocados em direção aos trechos cuja bacia contribuinte tem o maior número de descargas pontuais. A limitação desta metodologia é que ela trata todas as descargas pontuais da mesma forma, independente da carga poluente lançada.
Critérios de micro locação baseado nas vazões de diluição – método PNQA
Esta metodologia é baseada naquelas apresentadas por Sharp (1971) e por Clarkson (1979), e necessita do conhecimento da hidrologia da rede de drenagem, especialmente da curva de permanência de vazões, assim como das atividades antrópicas desenvolvidas na bacia ou região hidrográfica. As unidades geográficas de trabalho adotadas foram as bacias e regiões hidrográficas definidas pelo sistema Otto nível 4.
Incialmente é identificada a magnitude do exutório (M0), ou seja, o número de elementos
externos, e a disponibilidade hídrica – D, através da Q95 no exutório da sub-bacia; ou da diferença
entre a Q95 total afluente e efluente à região.
Com os dados de disponibilidade hídrica e a magnitude do exutório, é determinada uma contribuição de vazão associada a cada elemento externo, denominada “ordem”, dividindo-se a disponibilidade hídrica pela magnitude do exutório (Figura 3).
0 1) ( M D M O (5)
Esta metodologia considera todas as sedes municipais como elementos externos com ordem equivalente a vazão necessária para diluição da DBO5 não tratada até o limite da classe na qual o
Figura 3 - Método PNQA – Primeiro passo
Para determinação da vazão de diluição das sedes municipais, são utilizadas as informações de população dos municípios (IBGE) associadas à vazão per capta de diluição, aproximadamente 0,125 L/s.hab. Nesta metodologia é feita uma aproximação que considera toda a população dos municípios concentrada na sede municipal, ou seja, os esgotos não tratados gerados pela população do município são considerados uma carga pontual, e a drenagem dos efluentes municipais é direcionada para o rio mais próximo. Além disso, esta metodologia não considera a autodepuração da matéria orgânica e enquadra todos os rios na classe 2.
Do mesmo modo que na metodologia de Sharp, quando quaisquer dois elementos internos ou externos se juntam, possuindo uma ordem O(M1) e O(M2), o elemento interno resultante terá uma
ordem igual a: (O(M1) + O(M2)). A ordem – O0 – do exutório é equivalente à soma da
disponibilidade hídrica da bacia ou região hidrográfica com o somatório das demandas municipais para diluição dos efluentes (DBO5) não tratados.
Figura 4 - Método PNQA – Segundo passo
A “ordem” do primeiro centro de massa é obtida pela expressão análoga à de Sanders:
) 2 1 ( 0 O OC (6)
No trecho de rio com esta ordem, ou com ordem de valor próximo a este, teoricamente passa metade da vazão ponderada pela carga orgânica não tratada.
Para a determinação da ordem dos demais centros de massa aplicamos as mesmas expressões, que podem ser generalizadas da seguinte forma:
2 ) 1 (m N CNm O O (trecho de montante) (7) CNm m CN CNj O O O ( )1 (trecho de jusante) (8)
Em cada centro de massa é definido um ponto de monitoramento. Nesta etapa é conveniente que se tenha ideia dos acessos disponíveis (estradas, pontes) para definição precisa do ponto de monitoramento. Este procedimento é repetido até que se atinja a densidade prevista em função da área da bacia ou região hidrográfica (Figura 5).
Figura 5 - Método PNQA – Terceiro passo
O método PNQA é sensível às diferenças de carga, pois utiliza os valores “reais” de disponibilidade e demanda. Para os mesmos casos hipotéticos apresentados nas figuras anteriores, a aplicação do método de Sanders resultaria em outra rede de monitoramento (Figura 6).
Figura 6 - Comparação dos métodos de Sanders e do PNQA
A aplicação da metodologia PNQA define a alocação dos pontos da rede, considerando todos como pontos de impacto, tendo em vista a ponderação feita em função da carga afluente. Para definir os pontos de referência e estratégico, considera-se o deslocamento de pontos associados aos centros de massa de maior ordem para locais que atendam aos objetivos dos pontos de referência e estratégicos.
Os pontos de referência devem ser localizados em trechos de rio com pouca ou nenhuma interferência humana, ou seja, a bacia a montante não deve apresentar fontes significativas de poluição (mínimo de 50 % da bacia com vegetação natural).
De forma geral, os pontos de referência devem representar no mínimo 10 % do total de pontos da rede do PNQA.
Nas bacias em stress deve existir no mínimo um (01) ponto de referência. Caso não existam nestas bacias trechos não impactados, deverão ser utilizados trechos onde a capacidade de diluição dos efluentes gerados à montante não tenha sido extrapolada.
CONCLUSÕES
A metodologia de alocação de pontos de monitoramento utilizada para a RNQA mostrou-se eficaz na hora de espacializar os pontos de monitoramento em uma bacia hidrográfica por deslocar os centros de massas para locais com elevada ação antrópica. Além disso, a objetividade do método dá maior credibilidade ao arranjo da Rede que não passa a ser traçada com base em interesses e julgamentos dos técnicos, mas sim utilizando as disponibilidades e demandas hídricas das bacias.
BIBLIOGRAFIA
ABNT NBR 7229 (1993). Projeto, construção e operação de sistemas de tanques sépticos. Associação Brasileira de Normas Técnicas.
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CHAPMAN, D. (1996). Water Quality Assessments: a guide to the use of biota, sediments and environmental monitoring. London. Spon Press. 2ª ed.
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