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Departamento
de Engenharia Civil
AAvvaalliiaaççããoo ddee CCaauuddaaiiss ddee IInnffiillttrraaççããoo eemm SSiisstteemmaass
ddee DDrreennaaggeemm ddee ÁÁgguuaass RReessiidduuaaiiss
Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em
Construção Urbana
Autor
Ana Filipa Mota Mortinho
Orientador
Prof. Doutor Joaquim José de Oliveira Sousa
Instituição
Instituto Politécnico de Coimbra Instituto Superior de Engenharia de Coimbra
Coimbra, Setembro, 2011
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais AGRADECIMENTOS
Ana Filipa Mota Mortinho iii
AGRADECIMENTOS
A presente dissertação foi um dos grandes desafios a que me propus durante todo o meu
percurso académico. Na realização desta, contei com o apoio de várias
individualidades/entidades a quem manifesto os meus profundos agradecimentos.
Ao Professor Doutor Joaquim José de Oliveira Sousa, orientador da dissertação, por todo o
apoio, dedicação, compreensão e amizade demonstrada, pelos ensinamentos recebidos e pela
disponibilidade na excelente orientação deste trabalho.
Agradeço à Águas de Coimbra, à Águas do Mondego e à Águas da Figueira por toda a
informação fornecida, a qual contribuiu para o enriquecimento deste trabalho.
A todos os meus colegas e amigos pelas palavras de incentivo, de apoio e de amizade que em
momentos menos bons me ajudaram a continuar.
A ti Cátia um agradecimento especial por todo o carinho, amizade, apoio e incentivo que
manifestaste durante todo o meu percurso académico.
É ainda devido um agradecimento à minha amiga Cristiana que durante quatro anos foi a
minha família em Coimbra, por toda a amizade e incentivo.
Agradeço aos meus pais e irmã por todo o carinho, apoio, paciência e incentivo que
demonstraram durante toda a minha formação académica.
A todos o meu sincero agradecimento.
Ana Filipa Mota Mortinho
Coimbra, Setembro de 2011
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais RESUMO
Ana Filipa Mota Mortinho v
RESUMO
Os caudais de infiltração provenientes, directa ou indirectamente, de um dado evento
pluviométrico são um dos principais aspectos considerados prejudiciais ao nível de um bom
desempenho dos sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais. A afluência de
caudais de infiltração aos sistemas de drenagem de águas residuais perturba o seu
funcionamento, uma vez que pode conduzir a sobrecarga e extravasamento dos sistemas,
assim como afecta a exploração quer dos sistemas de drenagem quer das estações de
tratamento de águas residuais (ETAR). A afluência destes caudais tem como resultado a
diminuição quer da eficiência quer da eficácia destas infra-estruturas. Deste modo, através de
estudos que pretendem uma melhor compreensão da afluência dos caudais de infiltração aos
sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais, é possível perceber que a
caracterização e quantificação destes caudais devem ser dos primeiros passos a serem
realizados.
No presente trabalho abordam-se as causas, origem e natureza das infiltrações, assim como os
métodos que permitem a quantificação das mesmas. Além disso, apresentam-se, também,
alguns indicadores de desempenho que permitem avaliar de forma sistemática o desempenho
dos sistemas no que respeita aos caudais de infiltração.
Por fim, é ilustrado um estudo de caso, com intuito de aplicar os métodos e indicadores de
desempenho abordados a dois sistemas de drenagem reais.
Palavras-chave: Infiltrações, infiltrações directas, infiltrações indirectas, sistemas de
drenagem e tratamento de águas residuais.
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ABSTRACT
Ana Filipa Mota Mortinho vii
ABSTRACT
The infiltration/inflow caused by a pluviometric event are one of the main aspects regarded as
detrimental when considering a good performance of the drainage and waste water treatment
systems. The arising quantity of infiltration/inflow into waste water drainage systems disrupts
their operation once this can lead to a system overload and spillover, as well as affecting the
operation and management of not only the drainage systems but also the waste water
treatment plants (WWTP). The existence of infiltration/inflow results in a decrease in not only
the efficiency but also the effectiveness of such infrastructures. That way, through studies that
seek a better understanding of the infiltration/inflow into drainage and waste water treatment
systems, it is possible to perceive that the characterisation and quantification of these flows
should be the first steps taken.
In this study, we deal with the causes, origin and nature of infiltration/inflow, as well as the
methods which allow for their quantification. Moreover, some performance indicators are
presented which enable us to systematically assess the performance of the systems regarding
infiltration/inflow.
Lastly, a case-study is illustrated with the intention of applying the methods and performance
indicators to two real drainage systems.
Keywords: infiltration/inflow, drainage systems and waste water treatment.
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ÍNDICE
Ana Filipa Mota Mortinho ix
ÍNDICE
AGRADECIMENTOS ............................................................................................................................. iii
RESUMO ........................................................................................................................................................ v
ABSTRACT ................................................................................................................................................ vii
ÍNDICE ..........................................................................................................................................................ix
ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................................................xi
ÍNDICE DE QUADROS ........................................................................................................................ xii
SIMBOLOGIA ......................................................................................................................................... xiii
ACRÓNIMOS ............................................................................................................................................ xvi
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 1
1.1 Enquadramento ......................................................................................................................................... 1
1.2 Objectivos e Metodologia .......................................................................................................................... 3
1.3 Estrutura da Dissertação ............................................................................................................................ 3
2. AVALIAÇÃO DA INFILTRAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS
RESIDUAIS ................................................................................................................................................... 5
2.1 Definição de Infiltração ............................................................................................................................. 5
2.2 Origem e Natureza dos Caudais de Infiltração ........................................................................................... 6
2.2.1 Caudais de infiltração com origem directa na precipitação .................................................................. 9
2.2.2 Caudais de infiltração com origem indirecta na precipitação ............................................................. 12
2.3 Factores que Influenciam a Ocorrência de Infiltrações ............................................................................. 14
2.4 Impacto da Infiltração nos Sistemas de Drenagem de Águas Residuais .................................................... 18
2.5 Análise de Custos .................................................................................................................................... 19
3. CONTROLO E QUANTIFICAÇÃO DA INFILTRAÇÃO EM SISTEMAS DE
DRENAGEM .............................................................................................................................................. 25
3.1 Controlo da Infiltração............................................................................................................................. 25
3.2 Quantificação da Infiltração ..................................................................................................................... 25
3.3 Métodos Baseados em Medições de Caudal ............................................................................................. 28
3.3.1 Método do triângulo ......................................................................................................................... 28
3.3.2 Balanço anual ................................................................................................................................... 30
3.3.3 Método do caudal mínimo ................................................................................................................ 30
3.3.4 Método do caudal em tempo seco ..................................................................................................... 32
3.3.5 Método do mínimo móvel ................................................................................................................ 32
3.3.6 Modelação das redes de drenagem .................................................................................................... 34
3.4 Métodos Baseados em Traçadores ........................................................................................................... 36
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ÍNDICE
x
3.4.1 Método suíço.................................................................................................................................... 36
3.4.2 Séries temporais de medições ........................................................................................................... 36
3.4.3 Isótopos estáveis .............................................................................................................................. 38
3.4.4 Projecto APUSS ............................................................................................................................... 41
3.5 Abordagem de Similaridade .................................................................................................................... 44
3.6 Recomendação da ERSAR ...................................................................................................................... 46
3.7 Outros Critérios para a Quantificação das Infiltrações ............................................................................. 47
4. INDICADORES DE DESEMPENHO ....................................................................................... 51
5. ESTUDO DE CASO ......................................................................................................................... 61
5.1 Breve Descrição do Estudo de Caso ........................................................................................................ 61
5.2 Análise do Estudo de Caso ...................................................................................................................... 61
5.2.1 ETAR do Choupal ............................................................................................................................ 61
5.2.1.1 Método do mínimo móvel......................................................................................................... 62
5.2.1.2 Método do triângulo ................................................................................................................. 66
5.2.1.3 Comparação e interpretação dos resultados ............................................................................... 71
5.2.2 ETAR da Zona Urbana ..................................................................................................................... 73
5.2.2.1 Método do mínimo móvel......................................................................................................... 73
5.2.2.2 Método do triângulo ................................................................................................................. 77
5.2.2.3 Comparação e interpretação dos resultados ............................................................................... 80
5.3 Indicadores de Desempenho .................................................................................................................... 81
5.3.1 ETAR do Choupal ............................................................................................................................ 82
5.3.1.1 Indicadores de desempenho propostos pela ERSAR ................................................................. 82
5.3.1.2 Outros indicadores .................................................................................................................... 84
5.3.2 ETAR da Zona Urbana ..................................................................................................................... 87
5.3.2.1 Indicadores de desempenho propostos pela ERSAR.................................................................. 87
5.3.2.2 Outros indicadores .................................................................................................................... 89
5.3.3 Análise comparativa ......................................................................................................................... 93
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................................ 95
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................... 97
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ÍNDICE DE FIGURAS
Ana Filipa Mota Mortinho xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2. 1 - Ocorrência de infiltrações ................................................................................................................ 5
Figura 2. 2 - Exemplos de câmaras de visita (Sousa, 2009) .................................................................................. 6
Figura 2. 3 - Evolução do estado estrutural de um colector (Franz, 2007) ............................................................. 7
Figura 2. 4 - Esquema demonstrativo de ligações indevidas (Concordma, s.d.) .................................................... 8
Figura 2. 5 - Esquema demonstrativo do efeito da subida do nível freático (Adaptado de Franz, 2007) ................ 8
Figura 2. 6 - Exemplo demonstrativo da relação da precipitação com a infiltração directa.................................. 11
Figura 2. 7 - Variação do caudal afluente à ETAR de Taveiro com a altura do ano ............................................ 13
Figura 2. 8 - Variação do caudal afluente à ETAR das Alhadas com a altura do ano .......................................... 13
Figura 2. 9 - Infiltrações com origem no envelhecimento e fissuras do colector (York, s.d.)............................... 16
Figura 2. 10 - Fuga e respectivo caudal infiltrado no sistema de drenagem......................................................... 17
Figura 2. 11 - Exemplo de uma inspecção de vídeo (York, s.d.) ......................................................................... 22
Figura 2. 12 - Exemplo de uma inspecção numa câmara de visita (York, s.d.) .................................................... 22
Figura 2. 13 - Exemplos de testes de fumo (CRD, s.d.; York, s.d.) ..................................................................... 23
Figura 2. 14 - Optimização do custo associado à redução da infiltração numa rede de drenagem (Amorim, 2007)
.......................................................................................................................................................................... 24
Figura 3. 1 - Esquema das componentes do caudal total de água residual (Franz, 2007) ..................................... 26
Figura 3. 2 - Representação esquemática do método do triângulo ...................................................................... 29
Figura 3. 3 - Representação esquemática do método do mínimo móvel .............................................................. 34
Figura 3. 4 - Determinação da infiltração e exfiltração em colectores (Amorim, 2007)....................................... 44
Figura 5. 1 - ETAR do Choupal ......................................................................................................................... 61
Figura 5. 2 - Resultado do método do mínimo móvel para a ETAR do Choupal ................................................. 65
Figura 5. 3 - Diagrama cronológico de caudais medidos na ETAR do Choupal e da precipitação registada durante
o ano de 2010 (eixo inferior - caudal; eixo superior - precipitação) .................................................................... 67
Figura 5. 4 - Aplicação do método do triângulo para a separação das parcelas do caudal afluente à ETAR do
Choupal ............................................................................................................................................................. 70
Figura 5. 5 - ETAR da Zona Urbana (Google, s.d.) ............................................................................................ 73
Figura 5. 6 - Resultado do método do mínimo móvel para a ETAR da Zona Urbana .......................................... 76
Figura 5. 7 - Aplicação do método do triângulo para a separação das parcelas do caudal afluente à ETAR da
Zona Urbana ...................................................................................................................................................... 79
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ÍNDICE DE QUADROS
xii
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 2. 1 - Origem, tipos e causa de infiltração ................................................................................................ 9
Quadro 3. 1 - Comparação de métodos de medição (Adaptado de Franz, 2007) ................................................. 40
Quadro 4. 1 - Grupos de indicadores de desempenho (Matos et al., 2004).......................................................... 54
Quadro 5. 1 - Resultados obtidos por aplicação do método do mínimo móvel .................................................... 64
Quadro 5. 2 - Percentagem de infiltrações obtidas pelo método do mínimo móvel e pelo método do triângulo ... 71
Quadro 5. 3 - Resultados obtidos por aplicação do método do mínimo móvel .................................................... 75
Quadro 5. 4 - Percentagem de infiltrações obtidas pelo método do mínimo móvel e pelo método do triângulo ... 80
Quadro 5. 5 - Volumes de infiltração directa e indirecta e volumes de água residual com infiltrações indirectas
obtidos para a ETAR do Choupal e para a ETAR da Zona Urbana ..................................................................... 81
Quadro 5. 6 - Determinação do (Lcolector x Perimetro) ......................................................................................... 86
Quadro 5. 7 - Síntese dos valores obtidos para os indicadores de desempenho segundo a ERSAR ..................... 93
Quadro 5. 8 - Síntese dos valores obtidos para os outros indicadores de desempenho......................................... 93
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais SIMBOLOGIA
Ana Filipa Mota Mortinho xiii
SIMBOLOGIA
% AR – percentagem de água residual
A – área da secção do escoamento ou área molhada
Ave – caudal médio medido em 24 horas
C – capitação média de águas residuais
– concentração de água residual apenas de origem doméstica e industrial (não
inclui o caudal de infiltração)
– concentração de CQO da água residual de origem doméstica e industrial
(sem o caudal de infiltração)
– concentração modelada de CQO (incluindo o caudal de
infiltração)
– concentração de água infiltrada
cmédia – concentração média de traçadores
Cmin – caudal mínimo nocturno (medido)
cmin – concentração mínima de traçadores
– concentração da água residual total (incluindo o caudal de infiltração)
DWF – caudal médio diário em tempo seco
E – caudal industrial descarregado em 24 horas
fa – factor de afluência
FI – quociente entre o volume de infiltração e o volume total afluente à ETAR
hGWL – níveis freáticos circundantes
hw – níveis de água nos colectores
i – inclinação do colector
I – infiltração indirecta
I/E – infiltração e exfiltração
k – constante de recessão
Ks – coeficiente de rugosidade
Lcolector – comprimento do colector
M – número de dias do último período contínuo de tempo seco
nº Cvisita – número de câmaras de visita
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais SIMBOLOGIA
xiv
P – perímetro
P – população servida
Pw – perímetro molhado
Q – caudal escoado
QI – caudal de infiltração total (infiltrações directas + infiltrações indirectas)
– caudal de infiltração directa no momento t0
– caudal de infiltração indirecta
Qinf – caudal de infiltração total
Qmédio – caudal total médio
Qmin – caudal total mínimo
Qmts – valor do caudal médio diário em tempo seco
Qsc – valor do caudal de secção cheia do colector
– caudal total de águas residuais, incluindo o caudal de infiltração
Rh – raio hidráulico
t – tempo
Vágua armazenada – volume de água armazenada
Vágua captada – volume de água captada
Vágua exportada – volume de água exportada
Vágua perdida – volume de água perdida
Vágua residual, perdida – volume de água residual perdida (exfiltrações)
VDWF – volume anual correspondente ao caudal em tempo seco
VI – volume de infiltração indirecta
– volume de águas residuais domésticas/industriais atribuído ao ponto de medição j, no
“dia de chuva” n
– volume estimado de águas pluviais, atribuído ao ponto de medição j, no “dia de chuva”
n
– volume total medido no ponto de medição j (ETAR ou secção de entrega), no “dia de
chuva” n
wA25 – volume de descargas de excedentes
wA26 – volume de precipitação
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais SIMBOLOGIA
Ana Filipa Mota Mortinho xv
wC1 – comprimento total da rede de colectores
wC28 – alojamentos ligados à rede de drenagem
wC3 – colectores em carga em tempo de chuva
wD35 – volume de água de ligações indevidas
wD36 – volume de água infiltrada
wD37 – volume de água exfiltrada
wEn – indicadores ambientais
wEn5 – volume de descargas de excedentes originadas por precipitação
wF1 – águas residuais colectadas
wF3 – alojamentos afectados por inundações resultantes da rede separativa de águas residuais
domésticas em tempo de chuva
wF5 – alojamentos afectados por inundações resultantes da rede unitária de águas residuais
domésticas em tempo de chuva
wFi – indicadores económico-financeiros
wH1 – duração do período de referência
wOp – indicadores operacionais
wOp30 – infiltração/exfiltração e ligações indevidas
wOp31 – ligações indevidas
wOp32 – infiltração
wPe – indicadores de recursos humanos
wPh – indicadores infra-estruturais
wPh6 – entrada em carga de colectores em tempo de chuva
wQS – indicadores de qualidade de serviço
wQS11 – inundação de alojamentos com origem em rede separativa de águas residuais
domésticas em tempo de chuva
wQS13 – inundação de alojamentos com origem em rede unitária de águas residuais em
tempo de chuva
Avaliação de Caudais de Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais ACRÓNIMOS
xvi
ACRÓNIMOS
APUSS – Assessing Infiltration and Exfiltration on the Performance of Urban Sewer Systems
ASCE-WEF – American Society of Civil Engineers – Water Environment Federation
CCTV – Closed-Circuit Television
CQO – Carência Química de Oxigénio
ERSAR – Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e Resíduos
ETAR – Estação de Tratamento de Águas Residuais
ID – Indicador de Desempenho
IDs – Indicadores de Desempenho
PEAD – Polietileno de Alta Densidade
PP – Polipropileno
PVC – Policloreto de Vinilo
RGSPPDADAR – Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de
Água e de Drenagem de Águas Residuais
SIG – Sistema de Informação Geográfica
USEPA – United States Environmental Protection Agency
WAA – Water Authorities Association
CAPÍTULO 1
Ana Filipa Mota Mortinho 1
1. INTRODUÇÃO
1.1 Enquadramento
Para avaliar o desempenho técnico de sistemas de drenagem de águas residuais é necessário
ter em conta uma análise em diferentes domínios nomeadamente, hidráulico, sanitário,
ambiental, estrutural e sócio-económico, considerando diversos aspectos específicos de
desempenho. No domínio hidráulico, estes aspectos incluem a entrada em carga de colectores,
inundações, velocidades excessivas, assoreamento, redução da capacidade de escoamento e
ocorrência de infiltrações. No que se refere ao domínio sanitário os aspectos mais relevantes
são a contaminação microbiológica (resultante de, por exemplo, descargas sem tratamento
adequado e exfiltração na rede de colectores) e a ocorrência de concentrações excessivas de
gás sulfídrico. Em termos ambientais, podem ser considerados aspectos como a ocorrência de
descargas não tratadas para o meio receptor assim como a exfiltração. Em relação ao domínio
estrutural, destacam-se o assentamento dos colectores, a ocorrência de fendilhação, falhas,
deformações e colapsos. Finalmente, no domínio sócio-económico podem ter-se em conta a
ocorrência de odores, interrupções de tráfego e custos unitários de exploração (Cardoso et al.,
s.d.).
Algumas das principais deficiências funcionais que ocorrem em sistemas de drenagem e
tratamento de águas residuais resultam da afluência de caudais de infiltração a estas infra-
estruturas. Estes caudais têm como principal causa, directa ou indirecta, a precipitação.
A monitorização das estações de tratamento de águas residuais (ETAR) actualmente
construídas tem demonstrado que existe uma forte relação entre a ocorrência de eventos
pluviométricos e o aumento do volume dos efluentes nas ETAR. Esta situação, não sendo
inédita, é hoje em dia motivo de preocupação por parte das entidades gestoras dos sistemas de
drenagem e tratamento de águas residuais, uma vez que estes caudais podem manifestar-se
prejudiciais ao nível de uma boa operação dos sistemas.
Os caudais de infiltração afectam fortemente o desempenho dos sistemas de drenagem, assim
como das estações de tratamento de águas residuais, diminuindo quer a sua eficiência quer a
sua eficácia. Desta forma, as infiltrações traduzem-se em perdas de eficiência dos sistemas de
drenagem e de tratamento, aumentando os custos operacionais, podendo conduzir ainda à
necessidade prematura de reforço da capacidade disponível (de transporte, de elevação e de
tratamento).
Assim, a afluência de caudais de infiltração aos sistemas de drenagem de águas residuais pode
causar alguns problemas, nomeadamente:
Entrada em carga dos colectores quando ocorre precipitação intensa. Esta situação
pode conduzir a extravasamento para as ruas originando problemas de saúde pública,
bem como evacuação através de descarregadores de emergência, os quais podem
originar graves problemas ambientais nas linhas de águas receptoras;
Introdução
2
Diminuição da eficiência dos órgãos de tratamento motivada por alteração das cargas
hidráulicas e da carga de poluentes;
Abaixamento da temperatura da massa líquida nos tanques de arejamento e transporte
e arrasto de biomassa para o decantador secundário nas estações de tratamento de
águas residuais, o que origina o lançamento no meio receptor de efluentes tratados
inadequadamente de que resulta frequentemente a acumulação de sólidos suspensos e
sedimentos junto dos locais de descarga, a redução das concentrações de oxigénio da
massa líquida e, por último, a criação de condições propícias para o desenvolvimento
de fenómenos de eutrofização que certamente podem vir a comprometer a qualidade
da água no próprio meio receptor;
Aumento de custos operacionais e de investimento nas redes de drenagem e nas
estações de tratamento de águas residuais;
Insuficiência de capacidade dos colectores e das estações de tratamento de águas
residuais, conduzindo a descargas de águas residuais no meio receptor sem qualquer
tratamento, aumentando assim a poluição;
Insuficiência de capacidade de bombagem das estações elevatórias;
Os custos ligados às infiltrações são em grande número manifestando-se em custos directos de
transporte de caudais indevidos, bem como no tratamento destes. Então, torna-se importante e
necessário reduzir ao máximo os custos relacionados com as infiltrações, proporcionar um
bom desempenho dos sistemas de drenagem de águas residuais, assim como diminuir o mais
possível as afluências indevidas.
As infiltrações em sistemas de drenagem de águas residuais são um tema que tem vindo
progressivamente a mostrar alguma atenção por parte das entidades gestoras. Muitas
entidades gestoras têm consciência de que os caudais de infiltração estão a originar
significativos encargos para a exploração de sistemas de drenagem e tratamento de águas
residuais. Esta tomada de consciência por parte das entidades gestoras é razão mais que
suficiente para considerar que as infiltrações são um motivo de actual preocupação sendo um
assunto de crescente investigação nos últimos anos.
Introdução CAPÍTULO 1
Ana Filipa Mota Mortinho 3
1.2 Objectivos e Metodologia
A presente dissertação tem como objectivos:
Aprofundar os conhecimentos na área de hidráulica, mais especificamente no âmbito
do funcionamento dos sistemas de drenagem de águas residuais
domésticas/industriais;
Dar uma contribuição para a caracterização das infiltrações de águas pluviais nos
sistemas de drenagem de águas residuais do nosso País;
Avaliar as infiltrações em sistemas de drenagem de águas residuais;
Identificar as causas, origem e natureza das infiltrações;
Adquirir conhecimentos sobre os vários métodos que permitem quantificar os caudais
de infiltração;
Conhecer e calcular os indicadores de desempenho que permitem avaliar o
desempenho de um sistema de drenagem no que respeita aos caudais de infiltração.
Para o cumprimento dos objectivos apresentados anteriormente é necessário seguir uma
determinada metodologia. A metodologia utilizada consiste em realizar uma pesquisa sobre
infiltrações em sistemas de drenagem de águas residuais domésticas/industriais, estudar e
aprender a utilizar os vários métodos abordados que permitem estimar os caudais de
infiltração, e, por fim, aplicar estes métodos, bem como os diversos indicadores de
desempenho, a dois sistemas de drenagem reais.
1.3 Estrutura da Dissertação
A presente dissertação encontra-se organizada em seis capítulos, sendo a estrutura e o
conteúdo sintetizados nesta secção.
Como introdução, no Capítulo 1 encontra-se uma breve análise sobre a importância de avaliar
os caudais de infiltração em sistemas de drenagem e tratamento de águas residuais,
sensibilizando para o modo como a sua afluência a estas infra-estruturas afectam o seu bom
funcionamento. Nesse capítulo faz-se ainda referência aos objectivos que se pretende atingir
no âmbito deste trabalho, assim como da metodologia a seguir para a concretização dos
mesmos. Por fim é realizada uma síntese sobre a organização da presente dissertação.
Introdução
4
No Capítulo 2 apresenta-se uma pesquisa bibliográfica sobre o tema a ser tratado, definindo o
conceito de infiltração, descrevendo a origem e natureza dos caudais de infiltração, os tipos de
infiltrações, os factores que influenciam a ocorrência destes caudais, assim como o seu
impacto nos sistemas de drenagem de águas residuais, sendo por fim realizada uma análise de
custos.
Este Capítulo encontra-se estruturado da seguinte forma:
Definição de infiltração;
Origem e natureza dos caudais de infiltração;
Caudais de infiltração com origem directa na precipitação;
Caudais de infiltração com origem indirecta na precipitação;
Factores que influenciam a ocorrência de infiltrações;
Impacto da infiltração nos sistemas de drenagem de águas residuais;
Análise de Custos.
No Capítulo 3 faz-se uma breve análise sobre o controlo e quantificação da infiltração em
sistemas de drenagem de águas residuais, apresentando-se alguns métodos e abordagens que
permitem a sua estimativa.
Este Capítulo encontra-se organizado da seguinte forma:
Controlo da infiltração;
Quantificação da infiltração;
Métodos baseados em medições de caudal;
Métodos baseados em traçadores;
Abordagem de similaridade;
Recomendação da ERSAR;
Outros critérios para a quantificação das infiltrações.
No Capítulo 4 é realizada uma análise sobre os indicadores de desempenho que permitem
quantificar o desempenho dos sistemas no que respeita aos caudais de infiltração.
No Capítulo 5 encontra-se a descrição e análise do estudo de caso que foi desenvolvido.
Finalmente, no Capítulo 6 apresentam-se as considerações finais da presente dissertação.
CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 5
2. AVALIAÇÃO DA INFILTRAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM
DE ÁGUAS RESIDUAIS
2.1 Definição de Infiltração
Entende-se por infiltração, toda a água limpa que legal ou ilegalmente aflui ao colector de
águas residuais domésticas.
A infiltração é o conceito utilizado para avaliar o caudal que entra nos sistemas de drenagem
proveniente dos lençóis freáticos, e os caudais que têm acesso directo à rede, resultantes da
ocorrência de eventos pluviométricos.
Os caudais de infiltração afectam fortemente o desempenho dos sistemas de drenagem de
águas residuais assim como o das estações de tratamento. Deste modo, torna-se necessário
estudar a origem e a natureza destes caudais, identificando as principais causas e factores que
influenciam a afluência destes aos colectores.
Estes caudais são de difícil controlo o que torna praticamente impossível a sua eliminação na
totalidade, no entanto, torna-se desejável que estes permaneçam em valores baixos.
Figura 2. 1- Ocorrência de infiltrações
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
6
2.2 Origem e Natureza dos Caudais de Infiltração
Os caudais de infiltração são provenientes das águas residuais pluviais, ou simplesmente
águas pluviais, sendo estas constituídas por águas resultantes da precipitação.
A infiltração nos sistemas de drenagem de águas residuais domésticas ocorre através da
entrada de água nas câmaras de visita e na própria tubagem.
A água tem acesso à rede através das câmaras de visita, devido a problemas de ligação às
tubagens, através das tampas que não são totalmente estanques, através de fissuras no seu
próprio corpo ou das juntas dos anéis que o formam, e através de fissuras na soleira.
Na Figura 2.2 são apresentados alguns exemplos de câmaras de visita.
Figura 2. 2 - Exemplos de câmaras de visita (Sousa, 2009)
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 7
No entanto, a água entra também na rede pelas tubagens, devido à existência de deficiências
estruturais, relacionadas com a rotura das canalizações, nomeadamente a abertura das juntas,
fracturas e fadiga dos materiais utilizados nas redes principais e nos ramais domiciliários.
Através da Figura 2.3 é possível analisar a evolução do estado estrutural de um colector
influenciado pela infiltração.
Fase 1 – Junta mal vedada ou conexão lateral; defeitos visíveis: juntas abertas e infiltração.
Fase 2 – Aumento da infiltração e da exfiltração, instabilidade da vala ou trincheira
conduzindo ao deslocamento das tubagens; defeitos visíveis: desconexão, inversão da
inclinação, depressão e infiltração.
Fase 3 – Existência de cargas desiguais devido aos deslocamentos conduzindo a fissuras e
defeitos nos tubos; defeitos visíveis: juntas abertas e deslocadas, fissuras, fracturas, depressão,
inversão da inclinação.
Figura 2. 3 - Evolução do estado estrutural de um colector (Franz, 2007)
Deste modo, quando ocorre precipitação, os caudais de infiltração afluem directamente à rede
através das câmaras de visita ou dos colectores. No entanto, na maioria das vezes, os caudais
entram directamente na rede, devido à existência de ligações indevidas, resultantes da ligação
da rede predial pluvial à rede pública doméstica.
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
8
Na Figura 2.4 é apresentado um esquema que exemplifica algumas ligações indevidas,
nomeadamente a ligação da rede predial pluvial à rede pública doméstica.
Figura 2. 4 - Esquema demonstrativo de ligações indevidas (Concordma, s.d.)
Quando não ocorre precipitação, a água subterrânea acumulada durante a ocorrência de um
dado evento pluviométrico aflui ao colector por efeito da subida do nível freático.
Deste modo, a água atinge o colector devido essencialmente à existência de problemas de
degradação na própria tubagem, assim como na parte inferior das câmaras de visita (soleira).
Na Figura 2.5 é possível analisar o efeito da subida do nível freático.
Figura 2. 5 - Esquema demonstrativo do efeito da subida do nível freático (Adaptado de
Franz, 2007)
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 9
Por análise da Figura 2.5 é possível verificar que quanto maior for a subida do nível freático,
isto é, quanto maior for o desnível Δh, maior será o caudal de infiltração que entra num
determinado orifício (fissura).
Nesta situação, em que existe a subida do nível freático, é possível verificar que a rede de
colectores regista uma maior afluência de caudais de infiltração, uma vez que a extensão de
colectores é habitualmente maior do que a extensão dos emissários e interceptores. No
entanto, são as redes de emissários e interceptores que transportam maiores valores de caudal
em comparação com a rede de colectores dos sistemas em “baixa”. Mas é na rede de
colectores dos sistemas em “baixa” onde se verifica um maior número de câmaras de visita,
bem como de ligações indevidas, sendo portanto onde ocorrem a maior parte das afluências
indevidas (Amorim, 2007).
Os caudais de infiltração que atingem a rede de drenagem de águas residuais domésticas
distinguem-se em dois grupos essenciais. A distinção entre estes dois grupos é feita tendo em
conta a forma como a infiltração se relaciona com a ocorrência de um dado evento
pluviométrico.
Então, existe um grupo de caudais de infiltração que manifesta uma relação directa e imediata
no tempo com a precipitação, e existe outro grupo que não ocorre de forma directa no tempo
após a ocorrência de precipitação, contudo depende desta (Almeida et al., 2004).
No Quadro 2.1 apresenta-se de forma sintetizada, a origem e os tipos de caudais de
infiltração, assim como a principal causa que leva ao seu aparecimento.
Quadro 2. 1 - Origem, tipos e causa de infiltração
Origem Tipos Causa
Directa - Escoamento Directo
- Drenagem Rápida
Existência de eventos
pluviométricos
Indirecta Posição do nível freático em
relação ao colector
2.2.1 Caudais de infiltração com origem directa na precipitação
Os caudais de infiltração provenientes directamente da ocorrência de eventos pluviométricos
podem diferenciar-se em:
Escoamento directo;
Drenagem rápida.
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
10
Escoamento directo
Os caudais provenientes do escoamento directo surgem quando ocorre precipitação e
desaparecem pouco tempo após esta parar. Estes caudais representam, assim, um efeito curto
no tempo, da bacia de drenagem a um evento pluviométrico (Almeida et al., 2004).
Após a ocorrência de precipitação, a permanência destes caudais pode variar de minutos a
algumas horas. Assim, a existência destes caudais depende da duração e da intensidade de um
dado evento pluviométrico. Quanto maior for a duração e intensidade da precipitação maior
será o tempo de permanência destes caudais.
A precipitação tem uma distribuição temporal aleatória, uma vez que esta ao longo do tempo
não é constante, isto é, não está sempre a chover. Assim, como o escoamento directo resulta
da ocorrência de um dado evento pluviométrico é possível afirmar que este apresenta
igualmente uma distribuição temporal aleatória. Apenas existe caudal resultante do
escoamento directo quando ocorre precipitação, na ausência desta não existe este tipo de
caudais.
Este tipo de infiltrações é facilmente detectável na rede, uma vez que ocorre em pontos
localizados da mesma.
São os caudais resultantes do escoamento directo que conduzem a caudais de ponta
consideravelmente elevados.
O caudal máximo descarregado nos descarregadores de tempestade deve-se ao acesso de
caudais resultantes directamente da precipitação às redes de drenagem.
Os caudais resultantes do escoamento directo devem-se essencialmente à existência de
ligações ilícitas de ramais de descarga de águas pluviais a colectores separativos de águas
residuais domésticas.
Drenagem rápida
Os caudais provenientes da drenagem rápida resultam fundamentalmente da percolação da
água através do solo, a qual é escoada pelos colectores mesmo antes de contribuir para a
alimentação de aquíferos.
A drenagem rápida representa uma resposta rápida e directa à ocorrência de precipitação.
Após grandes períodos de precipitação, os caudais resultantes da drenagem rápida tornam-se
bastante expressivos.
Em função das condições geológicas locais, das características da precipitação, assim como
do estado hídrico do solo, o tempo de resposta dos caudais de infiltração, em relação à
ocorrência de precipitação, pode durar algumas horas ou mesmo alguns dias.
É através das juntas ou fissuras existentes na rede ou mesmo através das câmaras de visita que
os caudais resultantes da drenagem rápida atingem o colector.
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 11
Em forma de conclusão, é possível afirmar que, quer os caudais resultantes do escoamento
directo, quer os caudais resultantes da drenagem rápida, surgem logo após o início da
precipitação e dissipam-se pouco tempo depois de esta cessar. Têm assim uma contribuição
temporária de caudais de infiltração em sistemas de drenagem e tratamento de águas
residuais. Estas duas parcelas (escoamento directo e drenagem rápida) conduzem a caudais de
ponta muito elevados, os quais se podem verificar nas estações de tratamento em períodos de
ocorrência de precipitação (Almeida et al., 2004).
A Figura 2.6 ilustra a influência directa da precipitação no caudal afluente à ETAR da Zona
Urbana na Figueira da Foz no mês de Dezembro de 2009.
As medições da precipitação diária são feitas às 9:00 horas de cada dia, pelo que poderão ser
mais representativas do que choveu no dia anterior ao do registo.
Figura 2. 6 - Exemplo demonstrativo da relação da precipitação com a infiltração
directa
Da análise da Figura 2.6 é possível verificar que existe uma clara correspondência do aumento
de caudal com as precipitações mais elevadas. Assim, quanto maior for a intensidade e
duração da precipitação maior irá ser o caudal afluente à ETAR. O aumento do caudal
afluente à ETAR da Zona Urbana deve-se essencialmente à existência de infiltrações directas,
uma vez que parte significativa da rede que drena para a respectiva ETAR é do tipo unitário.
É ainda possível observar um decaimento generalizado dos caudais nos dias seguintes à
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
12
ocorrência de precipitação. Este decaimento pode ter interpretação no efeito da drenagem
rápida na rede.
2.2.2 Caudais de infiltração com origem indirecta na precipitação
Os caudais resultantes da infiltração indirecta têm origem nos aquíferos, os quais são
alimentados durante a ocorrência de um dado evento pluviométrico. Assim, esta forma de
infiltração apresenta uma relação indirecta com a precipitação.
A existência destes caudais é condicionada pela posição do nível freático em relação ao nível
das infra-estruturas enterradas.
Assim, se o nível freático se encontrar acima da cota de soleira dos colectores é provável que
ocorra infiltração indirecta.
Os caudais resultantes da infiltração indirecta tendem a permanecer ao longo do tempo, não
sendo muito afectados pela ocorrência de eventos pluviométricos isolados. São caudais que
permanecem geralmente constantes ao longo do dia e apresentam uma variação
fundamentalmente sazonal.
É principalmente através das juntas ou fissuras existentes nas tubagens que os caudais de
infiltração indirecta entram no colector. Sendo assim, apresentam contribuições difusas no
espaço, uma vez que as juntas ou fissuras se encontram ao longo de toda a rede de colectores.
Os sistemas de drenagem que induzem o aparecimento de infiltrações são, entre outros
(Amorim, 2007):
Os que se desenvolvem em condições precárias (em relação ao solo que envolve a
tubagem);
Os que se desenvolvem abaixo de linhas de água;
Os que se localizam em ambientes marinhos ou estuarinos;
Os que se localizam num plano inferior aos colectores de águas pluviais;
Os que apresentam ligações laterais a propriedades privadas (deficiências das tubagens
e/ou ligações indevidas);
Os que apresentam falhas de construção.
Com os caudais mensais das ETAR de Taveiro em Coimbra e das Alhadas na Figueira da Foz
é possível ilustrar a variação do caudal afluente com a altura do ano.
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 13
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
Vo
lum
e m
en
sal
(m3)
Mês
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
Vo
lum
e m
en
sa
l (m
3)
Mês
Nas Figuras 2.7 e 2.8 é possível analisar essa mesma variação para o ano de 2010.
Figura 2. 7 - Variação do caudal afluente à ETAR de Taveiro com a altura do ano
Figura 2. 8 - Variação do caudal afluente à ETAR das Alhadas com a altura do ano
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
14
Por análise das figuras apresentadas anteriormente é possível verificar que é nos meses de
Inverno que existe um maior volume afluente à ETAR, uma vez que são nesses meses que a
precipitação ocorre de forma mais significativa originando infiltrações directas. Nos restantes
meses existe uma diminuição do volume afluente à ETAR, uma vez que nesses meses
normalmente não ocorre precipitação pelo menos de forma tão intensa como nos meses de
Inverno. Assim, nos meses de Verão normalmente não existem infiltrações directas, pelo
menos com valores tão consideráveis como nos meses de Inverno, pelo facto de existir uma
diminuição da ocorrência de precipitação, acabando sempre por existir infiltrações indirectas.
2.3 Factores que Influenciam a Ocorrência de Infiltrações
As afluências indevidas são influenciadas pela existência de eventos pluviométricos, pelo
estado de degradação do sistema de drenagem, o qual poderá variar de um local para o outro,
pela existência de ligações ilícitas, bem como pela posição do nível freático, a qual poderá
sofrer alterações significativas em função das estações do ano. Assim, é possível verificar que
os caudais de infiltração apresentam uma variação quer espacial quer temporal.
A água entra nas redes de drenagem devido à existência de deficiências estruturais na própria
tubagem, bem como nas juntas, devido ao aparecimento de ligações domésticas pluviais e
através das câmaras de visita, nomeadamente através da tampa, do seu próprio corpo e da
soleira.
Segundo WHITE et al. e GAMBOA et al., os factores que influenciam a ocorrência de
infiltrações são (Gamboa et al., 2000; White et al., 1997):
a posição dos elementos das redes relativamente ao nível freático, que apresenta
variações sazonais;
a percentagem do tempo em que o nível freático está acima da soleira dos elementos
da rede de drenagem;
o estado de conservação das redes de drenagem, particularmente dos colectores e
câmaras de visita (dependente dos materiais usados, da idade do sistema, da presença
de raízes, entre outros);
o comprimento das redes, diâmetro dos colectores e número das câmaras de visita;
a densidade de ramais de ligação;
o tipo de solo e condições de assentamento dos colectores;
a ocorrência de precipitação, pois esta induz um acréscimo da infiltração devido ao
escoamento sub-superficial, que normalmente apresenta uma resposta mais rápida que
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 15
a infiltração resultante do nível freático, e ainda contribui para a elevação do nível
freático;
as fugas das condutas de abastecimento público e dos colectores separativos pluviais.
Os factores que influenciam a ocorrência de infiltrações directas são menos complexos do que
aqueles que influenciam a ocorrência de infiltrações indirectas. Este aspecto deve-se ao facto
de as infiltrações directas entrarem de forma directa e imediata no sistema de drenagem de
águas residuais, ao contrário das infiltrações indirectas que, ao apresentarem uma relação
indirecta com a precipitação, não entram de imediato no colector entrando assim ao longo do
tempo.
As infiltrações directas são influenciadas pela topografia. A topografia envolvente é
condicionante na maior ou menor afluência de caudais de infiltração às redes de drenagem.
Topograficamente, o terreno pode apresentar-se em cumeada ou em vale. Assim, quando o
terreno se apresenta em cumeada a água resultante da precipitação afasta-se deste levando a
que exista uma menor afluência de caudais de infiltração aos sistemas de drenagem. No
entanto, se o terreno se apresentar em vale a água concentra-se neste conduzindo a maiores
caudais de infiltração.
O estado do sistema de drenagem é um factor que influencia em parte a ocorrência de
infiltrações. A existência de ligações indevidas, ou seja, ligações de águas pluviais prediais à
rede pública doméstica, aumenta directamente o caudal de infiltração. As águas pluviais
podem ser resultantes do escoamento superficial bem como da drenagem de telhados, pátios e
jardins.
De forma a minimizar os caudais de infiltração é necessário ter em conta a idade dos
colectores, bem como o seu estado de conservação, e os acessórios da rede. É facilmente
compreensível que os sistemas de drenagem de águas residuais mais antigos apresentem
maiores caudais de infiltração, em relação aos sistemas de drenagem de águas residuais mais
recentes. Uma vez que nos primeiros é notável o seu mau estado de conservação devido à
abertura de juntas por envelhecimento, e pelo facto de existirem fendas ou fissuras. No
entanto, as infiltrações podem existir quer em sistemas de drenagem mais antigos, devido ao
seu estado de degradação, quer em sistemas de drenagem mais recentes, devido a uma
deficiente execução da rede.
Na Figura 2.9 é possível verificar a existência de infiltrações devido ao envelhecimento e
fissuras do colector.
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
16
Figura 2. 9 - Infiltrações com origem no envelhecimento e fissuras do colector (York, s.d.)
O tipo de material utilizado e a forma de execução da rede são aspectos fundamentais para
aumentar o tempo de vida útil dos sistemas de drenagem de águas residuais.
Os materiais normalmente utilizados nos sistemas de drenagem de águas residuais são o PVC
e o PP, os quais apresentam normalmente uma razoável durabilidade. Torna-se assim
necessário utilizar materiais que apresentem uma boa qualidade ao nível da resistência, de
forma a suportarem a compressão diametral induzida pelas cargas exteriores. Normalmente,
os materiais utilizados nas redes de drenagem não suportam bem as compressões diametrais,
principalmente se o assentamento do colector não for apropriado e o recobrimento mínimo
regulamentar respeitado.
Também no que diz respeito à qualidade da manutenção do sistema de drenagem, é necessário
que na reparação de roturas e na substituição de tubagens exista algum cuidado na escolha dos
materiais. É essencial a utilização de materiais adequados e que apresentem uma elevada
qualidade.
A existência de uma deficiente montagem do colector, dos acessórios da rede, assim como o
aparecimento de um determinado assentamento, poderão provocar fendas não visíveis ou
pontos sensíveis na tubagem, torção e deslocamento das juntas.
A qualidade de construção torna-se extremamente importante, nomeadamente o tipo de juntas
executadas, bem como a forma em que é efectuada a ligação entre os vários troços da
tubagem. A existência de uma deficiente qualidade de execução poderá originar a ocorrência
de infiltrações.
A existência de assentamentos nas tubagens poderá conduzir à ocorrência de infiltrações
indirectas. Para evitar ao máximo o assentamento dos colectores é necessário que exista
alguma atenção ao tipo de material utilizado para o preenchimento da vala. O tipo de material
utilizado poderá originar o movimento das tubagens. Então, se o solo se apresentar muito
permeável a água ao atravessar este, a uma velocidade elevada, poderá provocar o
arrastamento de finos, o que conduz ao movimento das tubagens, provocando
consequentemente fissuras ou mesmo fadiga nos materiais utilizados nos sistemas de
drenagem. Assim, também o assentamento do solo poderá provocar a ocorrência de
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 17
infiltrações. Este assentamento poderá ainda ter origem nos trabalhos decorrentes da
construção do sistema de drenagem, bem como da perda de solo junto das tubagens.
A disposição dos colectores e o modo de construção influenciam em parte a existência de
afluências indevidas ao sistema de drenagem.
O comprimento das redes, o diâmetro dos colectores e o número de câmaras de visita
influenciam fortemente a existência de infiltrações. Assim, quanto maior for a extensão da
rede, maior é a probabilidade de ocorrência de infiltrações, uma vez que estas ocorrem
principalmente através das juntas e fissuras que existem ao longo do colector. As infiltrações
ocorrem ainda através das câmaras de visita, logo quanto maior o número de câmaras de
visita, maiores serão os valores para os caudais de infiltração. Por sua vez, quanto maior for o
diâmetro dos colectores maior será o seu perímetro, logo maior será a extensão da junta, o que
poderá originar maiores caudais de infiltração.
É possível ainda analisar que quanto maior for o número de ramais de ligação, maiores serão
os valores existentes para as infiltrações.
Uma das principais causas da existência de infiltrações indirectas refere-se à posição do nível
freático, o qual é variável. Assim, a subida no nível freático conduz à afluência de caudais de
infiltração ao sistema de drenagem de águas residuais.
A existência de fugas com origem nas condutas de abastecimento público, bem como as
características do solo que se encontra na periferia, são aspectos importantes a ter em
consideração. O aparecimento e acréscimo de fugas dependem das características do solo
envolvente. A percolação de água de origem pluvial no solo ou as infiltrações provenientes de
fugas nas condutas de abastecimento de água podem criar passagens preferenciais de
escoamento com o arrastamento das partículas mais finas, em função da compacidade e do
tipo de solo. Este fenómeno poderá provocar assentamentos diferenciais do colector ou
mesmo, numa fase mais avançada, induzir a rotura do próprio colector.
Figura 2. 10 - Fuga e respectivo caudal infiltrado no sistema de drenagem
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
18
As águas residuais agressivas podem corroer o material da tubagem originando fissuras bem
como entrar em septicidade, isto é, não conterem oxigénio o que irá provocar a libertação de
determinados gases. Deste modo, a presença de águas residuais agressivas e fenómenos de
septicidade levam ao desenvolvimento de ataques químicos, que por sua vez proporcionam a
ocorrência de infiltrações indirectas.
A repetição continua de cargas pesadas sobre os colectores é outro factor importante, uma vez
que a passagem sucessiva de veículos pesados sobre as tubagens pode provocar danos
estruturais, nomeadamente o esmagamento ou fadiga antecipada do material.
A entrada de caudais de infiltração nos sistemas de drenagem de águas residuais torna-se um
problema importante a médio ou a longo prazo, levando a consequências significativas no seu
desempenho quer a nível técnico quer a nível económico. Ao conhecer os factores que
influenciam a existência destes caudais, é possível mantê-los em valores razoáveis, uma vez
que se torna difícil a sua eliminação na totalidade, de forma a criar sistemas de drenagem com
adequados desempenhos.
2.4 Impacto da Infiltração nos Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
Afluências indevidas significantes originam um grande impacto no desempenho dos sistemas
de drenagem de águas residuais, tanto ao nível da sua eficiência como ao nível da sua
eficácia.
Segundo WHITE et al., os caudais de infiltração originam diversos problemas nos sistemas de
drenagem, entre os quais é possível salientar (White et al., 1997):
o aumento dos custos de operação, manutenção e, eventualmente, de investimento,
quer em colectores, quer na ETAR;
a redução da capacidade útil de transporte e tratamento, que contribui para a
ocorrência de maiores descargas (maior frequência, duração ou caudal descarregado),
inundações e, consequentemente, poluição dos solos e meios hídricos;
a diminuição da eficiência de tratamento na ETAR;
a possível entrada de sedimentos nos colectores, aumentando o fluxo de material
sólido e potencialmente danificando as infra-estruturas e equipamentos.
De uma forma geral, é possível estabelecer os principais problemas que os caudais de
infiltração originam nos sistemas de drenagem. Originam problemas ao nível da saúde
pública, da própria sociedade e do ambiente, criando ainda impacto ao nível económico e
técnico.
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 19
De forma a compreender e verificar que os caudais de infiltração perturbam
significativamente o funcionamento dos sistemas de drenagem, foram realizados vários
estudos por vários autores, os quais concluíram que:
ELLIS, indica que, no Reino Unido, as ligações indevidas contribuem em média cerca
de 30% a 40% da infiltração nas redes (Ellis, 2001);
STEVENS, através da realização de um estudo em Nova Iorque, conclui que cerca de
50% do caudal afluente à ETAR tem origem na infiltração (Stevens, 1998);
BELHADJ et al., em França, efectuou estudos experimentais os quais conduziram a
valores para a infiltração na ordem dos 42% do caudal em tempo seco (Belhadj et al.,
1995);
GAMBOA et al., considera valores de infiltração em várias bacias de drenagem até
50% do caudal em tempo seco (Gamboa et al., 2000);
Em Portugal, apesar de não ser prática corrente a realização de medições periódicas, a
realização de eventuais inspecções dão indicação da existência significativa de caudais
de infiltração, tanto nos colectores como em câmaras de visita (Cardoso et al., s.d.).
2.5 Análise de Custos
Os caudais de infiltração afectam significativamente o desempenho dos sistemas de drenagem
de águas residuais, nomeadamente no que se refere ao seu funcionamento/comportamento.
Deste modo, é necessário reunir esforços no sentido de tentar reduzir ao máximo a ocorrência
de afluências indevidas à rede de drenagem. Assim, do ponto de vista económico, a redução
dos caudais de infiltração está associada a determinados custos que, em certos casos, podem
ser considerados significantes. Também ao próprio sistema de drenagem estão associados
alguns custos, directamente relacionados com a existência de infiltrações. Então, torna-se
importante reduzir a ocorrência de infiltrações, uma vez que a redução destas conduz a um
melhor desempenho por parte dos sistemas de drenagem e por sua vez a uma diminuição dos
custos.
Os custos podem ser divididos em custos operacionais, de manutenção e de investimento
(Amorim, 2007).
Custos operacionais
Os custos operacionais, tal como o nome indica, são custos que estão associados à operação
das redes de drenagem, ou seja, ao seu funcionamento.
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
20
Estes custos são geralmente divididos em (Amorim, 2007):
Custos de bombeamento;
Custos de tratamento.
Estas designações resultam do facto de existir uma afluência a estas instalações (bombas e
estações de tratamento de águas residuais) de caudais excedentários.
A existência de infiltrações nos sistemas de drenagem conduz a um aumento do caudal a ser
bombeado tendo como consequência um aumento dos custos de bombeamento. Estes custos
podem ser estimados através do conhecimento do caudal bombeado e da altura de elevação
dos grupos electrobomba.
Os custos de tratamento resultam essencialmente da existência de um maior volume de água a
ser tratado nas estações de tratamento de águas residuais (ETAR). Deste modo, os custos
tratamento estão relacionados com os custos de arejamento, com a adição de produtos
químicos e com caudal bombeado.
Numa ETAR as águas residuais passam por vários processos de tratamento com o intuito de
separar ou diminuir a quantidade de matéria poluente da água. Entre os vários processos de
tratamento existentes, é o tratamento secundário que conduz à existência de custos de
arejamento. O tratamento secundário consiste num processo biológico onde a matéria
orgânica poluente é consumida por microrganismos nos chamados reactores biológicos. Estes
reactores são normalmente constituídos por tanques onde existe uma grande quantidade de
microrganismos aeróbios, existindo assim a necessidade do seu arejamento. O arejamento
consiste no fornecimento de ar através da utilização de arejadores (mecânicos ou difusores de
ar comprimido). Assim, a ocorrência de infiltrações conduz à afluência de maiores caudais à
ETAR o que pode significar, também, o aumento da carga de poluentes. Como consequência,
poderá ser necessário fornecer uma maior quantidade de ar, originando um aumento dos
custos de arejamento.
Numa ETAR, o nível mínimo de tratamento exigível é o tratamento primário, no qual a
matéria poluente é separada da água por sedimentação nos decantadores primários. Este
processo exclusivamente de acção física pode, em alguns casos, ser ajudado pela adição de
produtos químicos que, através de uma coagulação/floculação, possibilitam a obtenção de
flocos de matéria poluente de maiores dimensões e assim mais facilmente sedimentáveis.
Deste modo, ao existir uma afluência de maiores caudais à ETAR, consequência da
ocorrência de infiltrações, leva a que exista uma maior adição de produtos químicos que, por
sua vez, origina um aumento dos custos de tratamento.
As infiltrações nos sistemas de drenagem conduzem à afluência de maiores caudais às
estações de tratamento, levando a que exista um maior volume de água a ser bombeado. O
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 21
caudal bombeado corresponde à necessidade de vencer desníveis entre os diversos órgãos de
tratamento que constituem a ETAR. Deste modo, é possível afirmar que o caudal bombeado é
directamente proporcional ao número de etapas de elevação existentes na ETAR. Assim, o
aumento do caudal a ser bombeado origina maiores custos de tratamento.
Custos de manutenção
Os custos de manutenção estão associados às operações que se têm de realizar para que as
redes de drenagem apresentem um bom estado de conservação. Assim, torna-se importante
realizar a manutenção da rede de drenagem de modo a verificar a existência ou não de
deficiências estruturais, nomeadamente fissuras ou fracturas, propícias à ocorrência de
infiltrações.
Deste modo, os custos de manutenção estão essencialmente relacionados com a necessidade
de reabilitar ou substituir tubagens. Os custos de manutenção são de difícil determinação uma
vez que existe dificuldade em contabilizar de forma precisa o caudal de infiltração afluente a
um dado sistema de drenagem, bem como verificar se o colector tem capacidade suficiente
para suportar estas afluências.
Custos de investimento
A redução das afluências indevidas ao sistema de drenagem tem como consequência a
diminuição dos custos de investimento ou custos de capital, pelo menos numa fase inicial.
Assim, a redução da infiltração pode diminuir os custos de investimento inicial necessários,
pelo facto de se reduzir o diâmetro das tubagens, o tamanho dos descarregadores de
tempestade, assim como a dimensão das unidades de tratamento.
Para se determinar os custos associados à redução dos caudais de infiltração é necessário
contabilizar os custos das seguintes etapas (Amorim, 2007):
Realização de estudos incluindo investigações, recolha de dados, estimativa dos
caudais de infiltração, bem como a modelação hidráulica, a qual permite um
conhecimento mais preciso do funcionamento do sistema de drenagem;
Realização de medições in-situ:
Medições de caudal com o recurso a um caudalímetro;
Medições de precipitação com o recurso a um udómetro;
Medição do nível freático com o recurso a uma sonda de nível.
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
22
Realização de inspecções e testes para a detecção da origem das infiltrações:
Inspecção Vídeo (CCTV - Closed Circuit Television) – tem como objectivo a
identificação e prevenção de anomalias, obstruções e colapsos nas tubagens. A
inspecção de vídeo é realizada com o auxílio de um robot, o qual permite fazer uma
inspecção do estado de conservação dos colectores e câmaras de visita, identificar a
origem de eventuais problemas, permitindo assim a realização de intervenções neste
sentido.
Figura 2. 11 - Exemplo de uma inspecção de vídeo (York, s.d.)
Inspecção das câmaras de visita – tem como objectivo permitir a inspecção e
limpeza dos colectores, a remoção de obstruções bem como a verificação das
características de escoamento e da qualidade das águas residuais. Esta inspecção pode
auxiliar na detecção de possíveis origens para as infiltrações.
Figura 2. 12 - Exemplo de uma inspecção numa câmara de visita (York, s.d.)
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais CAPÍTULO 2
Ana Filipa Mota Mortinho 23
Recurso a testes de fumo – consistem essencialmente em tapar cada secção do
colector e em seguida injectar numa dessas secções fumo. Assim, o colector irá ficar
todo ele ocupado por fumo. O fumo existente no colector irá passar por sua vez para o
ramal de ligação, podendo surgir através de ralos de pavimento ou no topo dos tubos
de queda pluviais no caso de existirem ligações indevidas. Assim, se existir alguma
ligação indevida este teste permite a sua rápida identificação.
Figura 2. 13 - Exemplos de testes de fumo (CRD, s.d.; York, s.d.)
Execução de testes de estanqueidade – consistem essencialmente na colocação
de um balão em cada extremidade do colector, de seguida injecta-se numa dessas
extremidades água sob pressão. Quando o colector se encontrar cheio de água mede-se
a pressão com o auxílio de um manómetro. Assim, se existir uma diminuição da
pressão significa que o colector não se encontra estanque, ou seja, existem anomalias
no colector (fissuras ou juntas mal executadas) através das quais poderão vir a ocorrer
infiltrações.
Redução da infiltração directa – verificação das tampas das câmaras de visita com
vista a promover uma adequada vedação e estanqueidade das mesmas. É necessário
ainda eliminar as ligações das redes prediais pluviais às redes públicas domésticas;
Redução da infiltração indirecta – renovação e substituição das redes de drenagem.
Avaliação da Infiltração em Sistemas de Drenagem de Águas Residuais
24
A Figura 2.14 permite realizar algumas reflexões acerca da optimização do custo associado à
redução da infiltração numa rede de drenagem.
Figura 2. 14 - Optimização do custo associado à redução da infiltração numa rede de
drenagem (Amorim, 2007)
Por análise da Figura 2.14, é possível verificar que quanto maior for a ocorrência de
infiltrações maiores serão os custos relacionados com o transporte e o tratamento. Esta análise
refere-se, assim, à recta que representa o custo da afluência dos caudais de infiltração à rede
de drenagem separativa.
Para diminuir a afluência de caudais de infiltração à rede de drenagem é necessário investir na
reabilitação das redes, para assim reduzir a existência de infiltrações indirectas, bem como
realizar campanhas para a detecção e eliminação de ligações indevidas, as quais contribuem
para a existência de infiltrações directas. Esta análise é traduzida pela curva exponencial
(Custo de redução da infiltração), na qual a tentativa de reduzir a infiltração para valores
próximos de zero conduziria a um custo bastante elevado.
O custo total da infiltração, que resulta da soma das duas curvas anteriores, apresenta um
mínimo que corresponde ao Nível Económico Óptimo de Infiltração.
CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 25
3. CONTROLO E QUANTIFICAÇÃO DA INFILTRAÇÃO EM
SISTEMAS DE DRENAGEM
3.1 Controlo da Infiltração
Em alguns casos a ocorrência de infiltração é bastante clara e facilmente detectável. Contudo,
na maioria das vezes a ocorrência de infiltração não é constante ao longo do sistema, sendo
indispensável identificar as zonas mais críticas.
Normalmente a redução/controlo dos caudais de infiltração envolve várias tarefas,
nomeadamente (Cardoso et al., s.d.):
a quantificação dos caudais de infiltração e identificação de zonas prioritárias;
a detecção das principais causas e dos elementos estruturais críticos;
a escolha das tecnologias adequadas a cada patologia;
a reabilitação dos troços de acordo com as prioridades definidas.
Desta forma, não conseguindo eliminar os caudais de infiltração totalmente torna-se muito
importante identificá-los para que assim se possa proceder ao controlo dos mesmos.
3.2 Quantificação da Infiltração
A quantificação do caudal de infiltração torna-se bastante difícil sendo por vezes incerta. O
caudal de infiltração não pode ser medido directamente uma vez que a água ao infiltrar-se no
colector se mistura com os outros componentes residuais existentes.
Existem bastantes dificuldades na estimativa dos caudais de infiltração, considerando-se desta
forma uma problemática bastante evidente e de alguma preocupação. Assim, é necessário
reunir esforços com o intuito de perceber as suas origens e as suas causas, para depois actuar
no sentido da sua eliminação ou pelo menos redução.
O problema da avaliação da infiltração coloca-se quer na fase de projecto quer na fase de
exploração. Na fase de projecto quando se quantifica os caudais de dimensionamento e na
fase de exploração quando se estima o desempenho do sistema em termos técnicos e
económicos.
Os critérios de cálculo existentes para a determinação das infiltrações são variados,
conduzindo por vezes a valores bastante diversos.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
26
Na quantificação das infiltrações é necessário ter em conta as condições do solo, a idade dos
colectores, os materiais dos colectores e das câmaras de visita, assim como eventuais
medições realizadas em diferentes períodos do ano.
A avaliação da infiltração considera-se bastante importante na realização de projectos de
reabilitação para avaliar o desempenho antes e depois da intervenção.
WHITE, através de estudos realizados na Inglaterra, considera que a infiltração pode ser
estimada como sendo igual a 45% do caudal em tempo seco (White et al., 1996).
O caudal em tempo seco na terminologia anglo-saxónica é conhecido por “dry weather flow”
(DWF).
O caudal em tempo seco é o caudal que é transportado num sistema de drenagem com a
excepção do caudal proveniente directamente de um dado evento pluviométrico, ou seja, o
caudal proveniente das infiltrações directas.
Assim:
Figura 3. 1 - Esquema das componentes do caudal total de água residual (Franz, 2007)
O caudal médio diário em tempo seco (DWF) pode ser determinado pela seguinte expressão:
DWF = (3.1)
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 27
em que:
DWF – Caudal médio diário em tempo seco (m3/d);
P – População servida (hab);
C – Capitação média de águas residuais (m3/hab.dia);
I – Infiltração indirecta (m3/d);
E – caudal industrial descarregado em 24 horas (m3/d).
Sempre que necessário é possível adicionar às parcelas referidas anteriormente uma
componente de descarga comercial.
Assim, com base na expressão apresentada anteriormente (3.1) é possível determinar o caudal
médio diário, que na prática varia ao longo do tempo.
Então, segundo os estudos realizados por WHITE (White et al., 1996):
I = 0,45 x DWF = 0,45 x (P ) (3.2)
Desenvolvendo a equação anterior em função da infiltração (I):
I = 0,45 PC + 0,45 I + 0,45 E
I - 0,45 I = 0,45 PC + 0,45 E
0,55 I = 0,45 (PC + E) (3.3)
Obtém-se:
I = 0,8 x (PC + E) (3.4)
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
28
3.3 Métodos Baseados em Medições de Caudal
3.3.1 Método do triângulo
O método do triângulo é utilizado para contabilizar as várias componentes (água residual,
infiltração directa e infiltração indirecta) do caudal afluente a uma dada estação de tratamento
de águas residuais (ETAR).
O método do triângulo é um método gráfico baseado em medições diárias. No eixo vertical do
referido gráfico encontra-se representado o volume diário em percentagem do valor máximo
observado, e no eixo horizontal a percentagem de tempo do período considerado no estudo
(Figura 3.2).
Este método baseia-se na organização de séries cronológicas em séries de caudais
classificados, sendo aplicado aos caudais afluentes às ETAR.
Assim, ao recorrer a uma curva de caudais classificados (representada a vermelho na Figura
3.2) torna-se possível estimar os volumes gerados por cada uma das componentes, no final de
uma série temporal, através da separação das áreas na curva de caudais classificados que são
equivalentes aos volumes de infiltração indirecta e de infiltração directa.
A aplicação do respectivo método implica a ordenação e representação dos caudais diários,
registados nas ETAR, por ordem crescente de grandeza e em percentagem do valor máximo
verificado no período considerado no estudo.
A água residual (doméstica, comercial e industrial) é determinada pelo quociente entre a
média diária de água residual e o valor máximo observado (%).
A média diária de água residual é estimada em função do volume de água residual. Este é
determinado pelo produto entre a água facturada de um dado Concelho, a influência de uma
dada ETAR e um factor de afluência. A média diária de água residual é obtida pelo quociente
entre o volume de água residual e o período de tempo considerado no estudo.
Assim, assume-se que a água residual (doméstica, comercial e industrial) se mantém
constante ao longo do tempo, sendo portanto representada no gráfico através de uma linha
horizontal (representada a castanho na Figura 3.2).
Então, a área do gráfico que se encontra abaixo desta linha horizontal representa o volume
anual de água residual.
A área compreendida entre a curva de caudais classificados e esta linha horizontal
corresponde ao volume anual excedente que aflui à ETAR, isto é, ao volume de infiltração
(directa e indirecta).
A divisão das componentes de infiltração directa e indirecta é conseguida admitindo que a
componente de infiltração directa atinge o seu máximo após a ocorrência de precipitação, e
que a infiltração indirecta é tanto menor, ou em alguns casos nula, quanto maior for a
componente relacionada directamente com a precipitação, uma vez que, nestas situações,
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 29
poderá até ocorrer exfiltração. A exfiltração consiste na saída de água residual proveniente de
um ramal de ligação ou de um sistema de drenagem de águas residuais para o solo envolvente
(Matos et al., 2004).
Através da análise dos registos de caudais nas ETAR, bem como da precipitação, é possível
contabilizar os dias em que ocorre precipitação assim como os dias seguintes em que o seu
efeito ainda é notório.
Assim, a percentagem de dias com chuva é igual ao quociente entre os dias de chuva e o
período considerado no estudo, e a percentagem de dias com sol é igual ao quociente entre os
dias de sol e o período considerado no estudo.
Na Figura 3.2 os dias de chuva são marcados em percentagem, da direita para a esquerda, e o
ponto de intersecção da respectiva abcissa com a curva de caudais totais corresponde ao início
da linha de separação.
A linha de separação corresponde à linha representada a amarelo na Figura 3.2, isto é, a linha
que se encontra entre a área preenchida a azul claro e a área preenchida a azul escuro.
O final desta linha diz respeito à intersecção, à direita, com a linha horizontal da água residual
(representada a castanho na Figura 3.2), a qual intersecta a abcissa dos 100%.
Através da análise da Figura 3.2 é possível verificar que a área que se encontra preenchida a
azul claro corresponde ao volume de infiltração directa, enquanto que a área que se encontra
preenchida a azul escuro corresponde ao volume de infiltração indirecta.
Figura 3. 2 - Representação esquemática do método do triângulo
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
30
3.3.2 Balanço anual
O balanço anual de um sistema de drenagem de águas residuais pode ser obtido pela seguinte
expressão (Franz, 2007):
VI = VDWF – (Vágua captada - Vágua exportada - Vágua perdida - Vágua armazenada) x fa +Vágua residual, perdida
(3.5)
em que:
VI – volume de infiltração indirecta;
VDWF – volume anual correspondente ao caudal em tempo seco;
Vágua captada – volume de água captada;
Vágua exportada – volume de água exportada;
V água perdida – volume de água perdida;
Vágua armazenada – volume de água armazenada;
Vágua residual, perdida – volume de água residual perdida (exfiltrações);
fa – factor de afluência.
Para a aplicação do respectivo método é necessário que as condições de fronteira, espaciais e
temporais, em que se realizam as medições sejam idênticas. Caso contrário as respectivas
condições terão de ser ajustadas.
Os dados relativos à área analisada podem ser recolhidos a vários níveis, drenagem total vs
sub-bacias, ano vs mês, permitindo assim uma melhor quantificação da infiltração.
Este método pode considerar-se menos exacto uma vez que os dados relativos ao volume de
água perdida e de exfiltração são incertos (Franz, 2007).
Por aplicação do método do balanço anual é possível obter uma estimativa grosseira da
infiltração anual.
3.3.3 Método do caudal mínimo
Os caudais resultantes da infiltração indirecta podem ser estimados através do método do
caudal mínimo.
Este método baseia-se na medição do caudal mínimo para o qual se torna necessária a análise
dos caudais em tempo seco durante as primeiras horas do dia (madrugada), uma vez que é
durante este período que o caudal de água residual exibe valores mais baixos, atingindo o
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 31
valor mínimo diário. Assim, as medições do caudal mínimo devem ser realizadas
preferencialmente entre as 2 e as 4 da manhã, bem como aos fins de semana de forma a evitar
a influência industrial (Amorim, 2007).
São os registos realizados para os caudais em tempo seco durante os vários períodos do dia
que permitem estimar o caudal médio diário em tempo seco e o caudal mínimo diário em
tempo seco, o qual corresponde ao período nocturno.
Existem autores que defendem a ideia de que a infiltração é igual ao caudal mínimo nocturno.
No entanto existem outros que consideram que uma parte do caudal mínimo nocturno
corresponde a água residual, enquanto que a outra parte corresponde a infiltrações. Assim,
durante a ocorrência do caudal mínimo em tempo seco, por vezes considera-se que 10% do
seu valor corresponde a água residual, isto é, P (Amorim, 2007).
O caudal médio medido em 24 horas (Ave) corresponde a toda a água afluente à ETAR sendo
assim igual:
Ave = água residual + infiltração (3.6)
em que:
água residual = P ;
infiltração (I) = Cmin (1 - % AR).
sendo:
Cmin – caudal mínimo nocturno (medido);
% AR – percentagem de água residual.
Tendo em conta a expressão 3.6 a infiltração é igual a:
I = Ave – água residual (3.7)
Em zonas onde os caudais são baixos e o incremento destes se verifica para alguns
litros/segundo, pode afirmar-se que a estimativa do caudal mínimo nocturno se torna difícil.
Nestas situações, recorre-se à utilização de medidores de caudal ultra-sónicos, os quais
possibilitam o registo dos valores de caudal com alturas de escoamento bastante reduzidas.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
32
3.3.4 Método do caudal em tempo seco
Os caudais resultantes da infiltração indirecta podem também ser estimados através da
aplicação do método do caudal em tempo seco.
Este método consiste na determinação dos valores de PC (população servida e capitação
média de águas residuais) e de E (caudal industrial descarregado em 24 horas).
Posteriormente estes valores são subtraídos ao caudal medido em tempo seco (DWF=
P durante um período de 24 horas. O caudal médio em tempo seco (DWF) é
determinado com base nos registos do caudal em tempo seco à entrada da ETAR (Amorim,
2007).
Considera-se que a água consumida e a água residual produzida estão intimamente
relacionadas. Assim, admite-se que cerca de 80% da água consumida é enviada para a rede de
drenagem. Desta forma, o valor de C (capitação média de águas residuais) pode ser
conseguido através do registo da água consumida.
A capitação média de águas residuais depende de alguns factores, nomeadamente, o tamanho
do agregado, os hábitos de higiene da população, a disponibilidade de água, a estrutura
populacional assim como as alterações climáticas.
Em relação à quantificação do caudal industrial (E), este depende da existência do registo de
caudais industriais descarregados na rede. As licenças de descarga definem geralmente um
valor para o caudal máximo que pode ser descarregado, o que na prática pode não o ser.
Preferencialmente, num período de 24 horas, deverá ter-se o registo dos caudais industriais
descarregados.
Não esquecer que o caudal em tempo seco, para além da componente relativa à contribuição
doméstica e industrial, em certas situações poderá também ter de contar com a componente
relativa à descarga comercial. Os estabelecimentos considerados como comerciais podem ser,
entre outros, escolas, centros comerciais assim como escritórios.
Uma vez que na prática o referido anteriormente é de difícil aplicação, o caudal industrial e
comercial pode ser quantificado com base nos consumos de água. Assim, colocando
caudalímetros (contadores de água consumida) à entrada de cada um dos estabelecimentos o
caudal industrial e comercial pode ser estimado pelo produto entre a água consumida e o
factor de afluência.
3.3.5 Método do mínimo móvel
O método do mínimo móvel é baseado em medições diárias. Este método não consiste em
realizar medições pontuais mas sim um conjunto de medições durante um determinado
período de tempo (Franz, 2007).
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 33
Deste modo, é com base nos registos dos caudais diários afluentes a uma dada ETAR que se
torna possível a aplicação do método do mínimo móvel.
O resultado deste método é apresentado através de um hidrograma, tal como demonstrado na
Figura 3.3. Assim, na Figura 3.3 encontra-se um esquema representativo da aplicação do
método do mínimo móvel. A linha representada a azul corresponde ao volume diário afluente
a uma determinada ETAR.
O mínimo móvel corresponde ao caudal mínimo de águas residuais, estando representado na
Figura 3.3 pela cor vermelha.
Considera-se que o período utilizado para retirar o valor do caudal mínimo de águas residuais
é de 21 dias (3 semanas), sendo uma boa forma de excluir o escoamento superficial a curto
prazo, ou seja, excluir o conjunto de dias com influência directa de precipitação. Assim,
utiliza-se um período de 21 dias pelo facto de este se considerar um período suficientemente
longo para que haja pelo menos um dia sem influência directa de precipitação. Então, pelo
menos um dia de tempo seco é suposto ser considerado no período escolhido.
Assim, assume-se que o caudal em tempo seco é igual ao caudal mínimo de águas residuais
observado durante os últimos dias.
É de notar que um período de tempo inferior aos 21 dias poderá conduzir a uma subestimação
do caudal de infiltração, isto é, a um menor caudal de infiltração.
Assim, o mínimo móvel corresponde ao menor valor existente num período de 21 dias. Este
procedimento é aplicado ao longo do período de tempo considerado no estudo.
Para quantificar o volume de infiltrações directas e indirectas é necessário previamente
determinar o volume anual afluente à ETAR, o volume de água residual assim como o volume
de água residual com infiltrações indirectas.
O volume anual afluente à ETAR corresponde ao total do volume diário afluente a esta
durante o período de tempo considerado no estudo.
Para estimar o volume de água residual é necessário ter em consideração a água facturada de
um dado concelho, a influência de uma determinada ETAR e o factor de afluência. Assim, o
volume de água residual é obtido através do produto entre a água facturada, a influência da
ETAR e o factor de afluência.
A média diária de água residual é determinada com base no volume de água residual. Esta
encontra-se representada na Figura 3.3 pela cor roxa, sendo obtida pelo quociente entre o
volume de água residual e o período de tempo considerado no estudo.
O volume de água residual com infiltrações indirectas corresponde ao total do caudal mínimo
de águas residuais (mínimo móvel), podendo também ser obtido pelo produto entre a média
do mínimo móvel e o período de tempo considerado no estudo.
A média do mínimo móvel encontra-se representada na Figura 3.3 pela cor verde.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
34
O volume de infiltrações directas é obtido pela diferença entre o volume anual afluente a uma
dada ETAR e o volume de água residual com infiltrações indirectas.
O volume de infiltrações indirectas é obtido pela diferença entre o volume de água residual
com infiltrações indirectas e o volume de água residual.
Este método apresenta como principal vantagem o facto de incluir quer os períodos de chuva
quer os períodos de tempo seco, sendo necessário seleccionar os dias de tempo seco como
uma referência.
Figura 3. 3 - Representação esquemática do método do mínimo móvel
3.3.6 Modelação das redes de drenagem
A modelação das redes de drenagem consiste em criar um modelo da rede em estudo e
calibrá-lo com base nos caudais em tempo seco (caudais sem influência directa da
precipitação).
Desta forma, como o caudal em tempo seco é igual a PC + Iindirecta + E torna-se necessário
determinar as parcelas PC e E.
As parcelas PC e E são as mais fáceis de estimar. Estas podem ser estimadas com base nos
respectivos consumos de água ou através da realização de medições. Ao introduzir no modelo
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 35
a distribuição espacial dos habitantes assim como as respectivas capitações, facilmente se
estima as parcelas PC.
Procedimento idêntico é realizado para estimar o valor de E. Ao introduzir directamente as
suas estimativas no modelo em estudo, eventualmente obtidas a partir do consumo de água, é
possível estimar a parcela E.
Então, para a estruturar o modelo é necessário ter em conta alguns aspectos tais como: a
população servida, o número de habitações, o tamanho dos aglomerados, os consumos de
água, a existência de licenças de descarga, o registo de efluentes, o registo dos níveis freáticos
e o registo do número de horas de bombagem dos grupos elevatórios.
Assim, conhecendo os valores das parcelas PC e E e com base nos registos dos caudais em
tempo seco facilmente se determina a infiltração indirecta (Iindirecta).
Se o modelo descrever bem a geração de água residual, a diferença entre os caudais totais em
cada secção e o caudal de água residual é o caudal de infiltração em cada secção (infiltração
directa e infiltração indirecta).
Então, é através da medição do caudal em vários pontos do sistema de drenagem que os
modelos são calibrados, possibilitando assim a determinação da infiltração em cada ponto de
medição.
Quando ocorre precipitação, se houver registos do caudal, estes podem ser usados para
comparar com os resultados do modelo em tempo seco e a diferença tem como resultado a
infiltração directa.
Assim, a infiltração indirecta é estimada com base nos caudais em tempo seco ao contrário da
infiltração directa que é estimada com base nos caudais em tempo de chuva.
Quando se recorre à modelação dos sistemas de drenagem para quantificar a infiltração é
necessário ter em conta alguns factores tais como (Amorim, 2007):
o registo do caudal em tempo seco depende do entendimento do responsável pela
modelação no que se refere aos valores que são registados assim como das apreciações
que são realizadas;
os modelos são normalmente calibrados para períodos de tempo relativamente baixos,
nomeadamente 5 a 10 semanas, o que poderá levar à averiguação de presença da
componente de infiltração directa, quantificar a influência da população flutuante bem
como do nível freático registado.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
36
3.4 Métodos Baseados em Traçadores
Os traçadores são elementos químicos que nos permitem identificar a existência de
infiltrações num dado sistema de drenagem. Estes podem ser um dos constituintes da água ou
podem ser adicionados a esta (Franz, 2007).
3.4.1 Método suíço
O método Suíço aproveita as características da água para a quantificação da taxa de
infiltração.
Hager et al. descrevem a seguinte abordagem para identificar a taxa de caudal em tempo seco,
baseando-se em recolha de amostras e medições de caudal (Hager et al., 1985):
FI =
é
é é é
é (3.8)
em que:
FI – corresponde ao quociente entre o volume de infiltração e o volume total afluente à
ETAR;
cmédia – concentração média de traçadores;
cmin – concentração mínima de traçadores;
Qmédio – caudal total médio;
Qmin – caudal total mínimo.
O respectivo método assume que tanto o caudal de infiltração como a concentração de
traçadores se encontram constantes durante o decorrer do dia.
A série de medições é efectuada em períodos de 24 horas com uma resolução temporal de
cerca de 15 minutos.
As variações da infiltração podem ser quantificadas através de medições que ocorrem durante
um longo período.
3.4.2 Séries temporais de medições
Kracht e Gujer introduziram um método que evita a existência de medições em condições
constantes (Kracht et al., 2005).
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 37
Desta forma, a infiltração é determinada através de uma análise combinada de séries
temporais de concentrações de carência química de oxigénio (CQO) e do caudal de água
residual.
A exigência básica deste método consiste numa elevada resolução temporal, por exemplo
cerca de 2 minutos.
Assim:
QI = (3.9)
em que:
QI – caudal de infiltração total (infiltrações directas + infiltrações indirectas);
– caudal de infiltração indirecta;
– caudal de infiltração directa no momento t0;
k – constante de recessão;
t – tempo.
Durante a ocorrência de um dado evento pluviométrico a existência de infiltrações directas é
bastante significativa atingindo o seu máximo após a ocorrência deste. Após atingir o seu pico
máximo a infiltração directa vai diminuindo. Assim, a função exponencial que demonstra o
decréscimo da infiltração directa é .
Através da medição do caudal total de água residual em séries temporais a concentração de
CQO pode ser modelada pela seguinte expressão:
(3.10)
em que:
- concentração modelada de CQO (incluindo o caudal de
infiltração);
á – concentração de CQO da água residual de origem doméstica e industrial
(sem o caudal de infiltração);
- caudal total de águas residuais, incluindo o caudal de infiltração.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
38
O parâmetro pode ser definido como um valor constante ou como uma
função polinomial em função do caudal de água residual, podendo ainda ser definido através
de uma função de frequência em função da hora do dia, de forma a incluir as variações
diurnas das concentrações de água residual.
Então, ajustando o modelo às medições da série temporal, o parâmetro desconhecido, QI, pode
ser determinado.
O método em causa é muito flexível e reflecte o processo dinâmico da infiltração.
3.4.3 Isótopos estáveis
Kracht et al. demonstraram que a composição de isótopos na água pode ser usada como um
traçador estável (Kracht et al., 2005).
Este método tem como objectivo analisar os átomos de hidrogénio (H) e/ou oxigénio (O)
existentes na água distribuída (água residual = PC + E) e na água afluente à ETAR.
Assim, a água é composta por vários isótopos estáveis de 2O e
2H.
Desta forma, é necessário entender que um isótopo estável de H+ apenas contém um neutrão
ao contrário do isótopo de 2H que contém dois neutrões, o mesmo raciocínio é efectuado para
o isótopo 18
O. Assim, quando se forma uma determinada molécula de água (H2O) com o
isótopo 2H esta é mais pesada em comparação com a molécula de água formada com o
isótopo H+. Então, quando ocorre precipitação a molécula mais pesada é a primeira a cair,
acontecendo o inverso quando ocorre o fenómeno de evaporação, em que neste caso é a
molécula mais leve a primeira a evaporar.
Assim, se na água afluente à ETAR aparecerem apenas os isótopos da água distribuída (água
residual), significa então que não existem infiltrações ou a água infiltrada tem os mesmos
isótopos da água distribuída.
Logo, quando os isótopos existentes na água afluente à ETAR são iguais aos isótopos
existentes na água distribuída não é possível tirar conclusões.
No entanto, se na água afluente à ETAR aparecerem isótopos diferentes dos existentes na
água distribuída estes são oriundos da água infiltrada.
Então, quando na água afluente à ETAR existem isótopos que não existem na água
distribuída, é possível concluir que existem infiltrações.
A exigência básica deste método consiste na diferença significativa na composição dos
isótopos de água residual e da água de infiltração. Assim, as características da água residual
têm de ser bem distintas das características da água de infiltração. É com base neste
pressuposto que facilmente se identifica a existência de infiltrações.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 39
Torna-se assim necessário identificar a origem da infiltração e ser capaz de descrever as
variações naturais da composição de isótopos com uma precisão suficiente.
Então, conhecendo a quantidade de água residual (PC+E) e sabendo que esta tem isótopos
diferentes dos da água infiltrada, medindo a quantidade de água afluente à ETAR e a
concentração de isótopos diferentes da água distribuída (concentração da infiltração) através
das expressões apresentadas seguidamente (balanço mássico) é possível estimar a quantidade
de água infiltrada.
Assim:
QT cT = QAR cAR + QI cI (3.11)
QAR = QT – QI (3.12)
= QI / QT (3.13)
Pelo balanço mássico a taxa de infiltração pode ser obtida:
(3.14)
em que:
- corresponde ao quociente entre o volume de infiltração e o volume total afluente à ETAR;
– concentração da água residual total (incluindo o caudal de infiltração);
- concentração de água residual apenas de origem doméstica e industrial (não
inclui o caudal de infiltração);
– concentração de água infiltrada.
Seguidamente é apresentado um quadro resumo onde é possível analisar as vantagens e
desvantagens de alguns dos métodos descritos anteriormente.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
40
Quadro 3. 1 - Comparação de métodos de medição (Adaptado de Franz, 2007)
Métodos Vantagens Desvantagens
Método do
triângulo
- Simples;
- Permite uma representação
gráfica.
- Obtém-se uma definição grosseira da
infiltração;
- Assume que o caudal de água residual é
constante ao longo do tempo.
Balanço anual - Simples.
- Só é considerado o caudal médio diário em
tempo seco (DWF);
- É definido em condições de tempo arbitrárias;
- Tende a dar valores mais baixos para a
infiltração em comparação com o que acontece
mesmo na realidade.
Caudal mínimo - Simples.
- Sensível ao caudal que escoa no tempo;
- Permite uma escolha arbitrária de medidas no
tempo.
Mínimo móvel
- Não existem escolhas
arbitrárias;
- Permite um fácil estudo da
variação das infiltrações.
- Influência na escolha do período estabelecido
para retirar o caudal mínimo de águas residuais.
Método suíço - Consideração do caudal
mínimo nocturno.
- Dificuldade existente na medição de traçadores;
- Série de medições constante na água residual.
Séries temporais
de medições
- Fácil aplicação.
- Medições dispendiosas.
Isótopos estáveis
- Fácil aplicação.
- Características da água da captação têm de ser
distintas das características da água infiltrada;
- Medições dispendiosas.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 41
3.4.4 Projecto APUSS
O projecto de investigação europeu APUSS (Assessing Infiltration and Exfiltration on the
Performance of Urban Sewer Systems), decorreu entre 2001 e 2004, tendo sido financiado
pela Comissão Europeia, no âmbito do 5º Programa Quadro de Investigação e
Desenvolvimento, o qual envolveu universidades, pequenas e médias empresas e municípios
em sete países Europeus (Cardoso et al., 2005).
Assim, o projecto em causa foi definido e desenvolvido por dez parceiros científicos de sete
países europeus, incluindo Portugal. É de salientar que alguns destes parceiros se
encontravam associados a operadores dos sistemas de drenagem urbana, tendo como interesse
as questões ligadas à infiltração e exfiltração (I/E), os quais colaboraram para o projecto
promovendo assistência, acesso aos sistemas experimentais, dados operacionais e
financiamento adicional. Deste modo, o projecto APUSS teve como objectivo estudar e
analisar determinadas questões relacionadas quer com a infiltração quer com a exfiltração.
Este projecto foi estruturado em três áreas de trabalho (Cardoso et al., 2005):
Área de trabalho 1: Desenvolvimento de novos métodos de medição baseados em
traçadores;
Área de trabalho 2: Implementação de modelos e ferramentas computacionais para
integração dos dados estruturais e experimentais;
Área de trabalho 3: Aspectos sócio-económicos relacionados com a I/E.
Assim, são as áreas de trabalho 1 e 2 as que se tornam relevantes para a quantificação da
infiltração.
Seguidamente é feita uma pequena abordagem em relação às áreas de trabalho 1 e 2, com o
intuito de compreender de que forma é que estas áreas contribuíram para a quantificação da
infiltração num dado sistema de drenagem urbana.
Novos métodos de medição – Área de trabalho 1
Tradicionalmente, a medição de I/E nos sistemas de drenagem urbana tem sido baseada em
métodos pouco precisos na medição de caudal, análise de variações diurnas de caudal ou de
cargas e balanço dos volumes de água entrados e saídos dos sistemas (De Bénédittis et al.,
2004).
O desenvolvimento da presente área de trabalho, por parte do projecto APUSS, teve como
objectivo o desenvolvimento de novos métodos de medição que permitissem distinguir
determinadas zonas na tubagem onde se verifica a ocorrência quer de infiltração quer de
exfiltração.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
42
A área de trabalho 1 teve em conta o desenvolvimento, teste e validação de métodos para
determinar de forma precisa (Cardoso et al., 2005):
A exfiltração em troços de colector;
A infiltração nos sistemas de drenagem urbana;
A infiltração e a exfiltração em ligações domésticas.
Os métodos de medição consistem na utilização de traçadores químicos e isótopos naturais e
seleccionados, os quais foram testados e validados em distintas condições operacionais em
tempo seco, em distintas escalas espaciais (desde a escala do colector a toda a bacia) e em
diferentes condições (variações permanentes e dinâmicas dos níveis freáticos, efeitos
sazonais, etc.).
Assim, foram desenvolvidos métodos de traçadores para a quantificação da exfiltração. No
entanto, para a determinação da infiltração foram desenvolvidos métodos baseados em
isótopos.
No presente documento apenas se achou relevante apresentar os métodos utilizados para a
quantificação da infiltração.
Infiltração nos sistemas de drenagem urbana
O projecto APUSS desenvolveu dois métodos para a quantificação da infiltração em sistemas
de drenagem de águas residuais.
Segundo Kracht et al., o primeiro método baseia-se na medição dos isótopos naturais e
estáveis de oxigénio 16
O e 18
O (Kracht et al., 2005). Assim, se a água para consumo e a água
proveniente dos lençóis freáticos apresentarem valores diferentes para o isótopo 18
O, e tendo
em conta que a água de infiltração provém dos lençóis freáticos, isto é, das águas
subterrâneas, e que a água doméstica consumida produz água residual doméstica, a
determinação da razão do isótopo 18
O à saída de uma dada rede de drenagem associada com a
equação de balanço de massa, permite determinar a taxa de infiltração.
As principais limitações que constituem as maiores desvantagens deste método são (Cardoso
et al., 2005):
medições dispendiosas;
as características da água residual têm de ser bem distintas das características da água
de infiltração.
Ao contrário do que acontece no método descrito anteriormente, o segundo método pode ser
utilizado em qualquer rede de drenagem onde as águas residuais sejam maioritariamente de
origem doméstica.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 43
O segundo método consiste na medição simultânea e contínua do caudal e da concentração da
Carência Química de Oxigénio (CQO). A medição do caudal é efectuada através da utilização
de medidores de caudal credíveis e a concentração de CQO é obtida através da realização de
medições ópticas utilizando para o efeito um espectro-fotómetro de radiação UV/visível de
comprimento de onda múltiplo (Cardoso et al., 2005).
Assim, assumindo que a água de infiltração tem uma concentração de CQO desprezável em
comparação com a água residual doméstica, as equações de balanço de massa permitem
determinar a taxa de infiltração recorrendo a modelos e padrões adequados para a modelação
diária do caudal e da concentração em CQO.
Infiltração nas ligações domésticas
As ligações domésticas contribuem em grande parte para a ocorrência de fenómenos
relacionados com a infiltração.
Por forma a medir a infiltração nas ligações domésticas, os métodos volumétricos foram
testados e aplicados em locais experimentais.
O controlo do caudal, durante dois dias, nas câmaras de visita que recebem as diversas
ligações domésticas aos colectores públicos, permitem determinar a taxa de infiltração.
A taxa de infiltração considera-se equivalente ao caudal mínimo nocturno.
Pelo facto de existir um elevado número ligações domésticas, isto é, de ligações da rede
predial pluvial à rede pública doméstica, torna-se impensável a realização de medições de
infiltração para cada uma delas. Por este motivo, foi fixado um procedimento que consiste em
extrapolar as medições para uma bacia de grandes dimensões. Segundo Princ e Kohout,
utilizou-se uma matriz que descreve características idênticas das ligações domésticas, através
da utilização de registos de inspecções CCTV (Closed Circuit Television), e deficiências das
ligações domésticas (Princ et al., 2003).
Modelos e ferramentas computacionais – Área de trabalho 2
Os dados e resultados obtidos das medições efectuadas em colectores e em ligações
domésticas com o intuito de quantificar os caudais de infiltração, devem ser sujeitos a
determinados tratamentos. Assim, os dados resultantes das medições necessitam de ser
integrados e visualizados convenientemente com o objectivo de fornecer aos utilizadores
finais uma representação e compreensão dos aspectos que perturbam os sistemas de drenagem
urbana.
A infiltração é medida à escala da sub-bacia ao contrário da exfiltração que é medida à escala
do colector. Foram sugeridos modelos de exfiltração à escala do colector bem como de
infiltração à escala da sub-bacia.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
44
Então, o modelo utilizado para estimar a infiltração consiste na representação, para a rede
objecto de estudo, do nível freático, da altura da lâmina líquida no interior da tubagem e do
perímetro molhado associado ao nível freático.
Deste modo, as variáveis envolvidas neste modelo são:
hw – níveis de água nos colectores;
hGWL – níveis freáticos circundantes;
Pw – perímetro molhado.
A figura seguinte ilustra o modelo utilizado para a quantificação da infiltração e exfiltração.
Figura 3. 4 - Determinação da infiltração e exfiltração em colectores (Amorim, 2007)
O objectivo deste modelo consiste em analisar a pressão que o nível freático exerce sobre a
tubagem, para um dado caudal transportado, de forma a verificar o estado estrutural da rede.
Então, são as variáveis envolvidas no modelo que reflectem o estado estrutural da tubagem, e
estas necessitam de ser calibradas com o recurso a medições e resultados experimentais.
No contexto do software AquaBase foi criada uma ferramenta que inclui o mapa do sistema
de drenagem, os caudais de tempo seco, os níveis freáticos obtidos por interpolação, bem
como dados e séries temporais que incluem os resultados experimentais de infiltração e
exfiltração.
3.5 Abordagem de Similaridade
A abordagem de similaridade consiste em obter medições ou estudos realizados em bacias de
drenagem com características similares e assumir que o comportamento da bacia em estudo,
para o qual não há estudos nem medições, é idêntico.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 45
Deste modo, a aplicação de modelos já existentes para determinar as infiltrações, quer de
origem directa quer de origem indirecta, torna-se bastante complexa, sendo necessária a
realização de medições mais rigorosas. Assim, devido à existência de medições muito
rigorosas, bem como a métodos de investigação muito dispendiosos, é necessário o recurso a
uma abordagem diferente.
Com base no pressuposto de que “condições similares de colectores conduzem a taxas
similares de infiltração”, é possível identificar áreas homogéneas e sub-bacias comparáveis,
procurando e trabalhando com entidades similares no âmbito de um sistema de drenagem de
águas residuais. Contudo, em vez de se utilizar esta ideia de forma subjectiva é possível e
aconselhável adaptar métodos matematicamente exactos ao respectivo estudo, o que conduz a
abordagens similares (Franz, 2007).
Esta implementação exige para a sua utilização e aplicação várias técnicas (Franz, 2007):
Classificação: Segundo Herz e Müller, métodos estatísticos de classificação são
amplamente usados no domínio dos sistemas de drenagem de águas residuais (Herz,
1996; Müller et al., 2002). No entanto, os métodos de aplicação considerados atingem
parâmetros únicos e independentes uns dos outros. Devido aos métodos de medição
vulgarmente usados na classificação da água residual, no quadro de medições da
infiltração e na modelação é necessário incluir tanto o dimensionamento estrutural
como a anisotropia funcional dos sistemas de água residual, isto é, a topologia da rede
e a direcção do caudal.
Optimização: a divisão de uma bacia em áreas homogéneas, isto é, em sub-bacias com
uma baixa variação das suas características, conduz a medições adequadas para a
homogeneidade de uma sub-bacia e para a sua optimização.
Comparação: as definições das sub-bacias são consideradas como unidades individuais
agregando todas as propriedades dentro de cada sub-bacia. Para que as taxas de
infiltração destas unidades sejam comparáveis e mensuráveis, as unidades e sub-bacias,
respectivamente, têm de estar organizadas e serem comparadas por meio de medidas
adequadas.
É necessário em primeiro lugar proceder à aquisição de dados para seguidamente se realizar o
pré-processamento dos mesmos, finalizando com a obtenção de uma base de dados. Os dados
de uma determinada sub-bacia podem ser doados por operadores e por agentes de autoridade
da própria cidade em que se efectua o estudo. Os dados são normalmente armazenados através
de sistemas de informação geográfica (SIG).
Deste modo, é através da utilização de métodos estatísticos e com base nos dados adquiridos
de uma dada sub-bacia, que é possível verificar o pressuposto básico.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
46
Então, é possível afirmar que para realizar uma abordagem de similaridade entre duas bacias
similares é necessário realizar investigações/estudos sobre os dados destas assim como das
diferenças entre sub-bacias com diferentes taxas de infiltração.
O pressuposto da abordagem de similaridade “condições similares de colectores conduzem a
taxas similares de infiltração” pode ser o fundamento para métodos e aplicações que procuram
e trabalham com entidades similares no âmbito dos sistemas de drenagem (Franz, 2007).
3.6 Recomendação da ERSAR
A Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e Resíduos (ERSAR) emitiu uma
recomendação, a qual tem em conta aspectos associados a regras e procedimentos de medição
com o objectivo de estimar a componente de águas pluviais afluentes a um dado sistema de
drenagem (infiltrações directas).
Nesta recomendação é indicada a importância das entidades gestoras das redes em “alta”
assegurarem registos de medição nas ligações da rede em “baixa” à rede em “alta”, com o
intuito de poder estimar a parcela de origem pluvial bem como de quantificar os caudais
descarregados por cada utilizador.
Segundo a respectiva recomendação, os caudais de tempo seco e de tempo húmido devem ser
quantificados através de registos contínuos de caudais à entrada das estações de tratamento de
águas residuais e, sempre que necessário, em secções de entrega da rede em “baixa” na rede
em “alta” (pontos de recolha), isto é, nos pontos de ligação das redes em “baixa” (Baptista et
al., 2007).
Assim, os volumes afluentes de origem pluvial serão obtidos através da diferença entre os
volumes registados em tempo de chuva e os volumes registados em tempo seco.
Para a definição dos caudais em tempo de chuva aconselha-se que as entidades gestoras bem
como os utilizadores do sistema, seleccionem um ou mais udómetros, localizados na área
servida por cada estação de tratamento (ou pelo menos o mais próximo desta), onde se irá
realizar a medição. As medições efectuadas devem ser representativas da ocorrência de
contribuições pluviais na respectiva área.
É de notar que um udómetro, apesar de ser seleccionado para representar a ocorrência de um
dado evento pluviométrico na área servida por uma determinada estação de tratamento de
água residual, pode também ser representativo da ocorrência de um dado evento
pluviométrico em áreas vizinhas servidas por outras estações de tratamento.
Segundo a recomendação da ERSAR, considera-se um “dia de chuva” se for registada a
ocorrência de precipitação no udómetro seleccionado para o respectivo ponto de medição.
Nos “dias de chuva” os volumes medidos devem ser divididos em algumas parcelas tal como
se pode verificar na seguinte expressão (Baptista et al., 2007):
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 47
(3.15)
em que:
– volume total medido no ponto de medição j (ETAR ou secção de entrega), no “dia de
chuva” n;
– volume de águas residuais domésticas/industriais atribuído ao ponto de medição j, no
“dia de chuva” n;
– volume estimado de águas pluviais, atribuído ao ponto de medição j, no “dia de chuva”
n;
M – número de dias do último período contínuo de tempo seco, recomenda-se que a duração
de M seja pelo menos 10 dias, isto é, o valor médio diário do último período contínuo de
tempo seco com uma duração mínima de 10 dias;
– valor médio diário dos volumes totais medidos no ponto de medição j, calculado
para o último período, precedente ao dia n, de M dias consecutivos de tempo seco.
A expressão apresentada anteriormente permite calcular assim o volume total medido em cada
ponto de medição.
3.7 Outros Critérios para a Quantificação das Infiltrações
Em Portugal, os critérios propostos pelo Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais
de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas Residuais (RGSPPDADAR), Decreto
Regulamentar nº 23/95, no seu artigo nº 126, são os apresentados seguidamente.
O valor do caudal de infiltração pode ser considerado (MOPTC, 1995):
igual ao caudal médio anual, nas redes de pequenos aglomerados com colectores a
jusante até 300 mm;
proporcional ao comprimento e diâmetro dos colectores, nas redes de médios e
grandes aglomerados; neste último caso, quando se trate de colectores recentes ou a
construir, podem estimar-se valores do caudal de infiltração da ordem de 0,5 m3/dia,
por centímetro de diâmetro e por quilómetro de comprimento da rede pública,
podendo atingir-se valores de 4 m3/dia, por centímetro e por quilómetro, em colectores
de precária construção e conservação.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
48
Segundo este regulamento, os valores referidos anteriormente para o caudal de infiltração
podem ser inferiores sempre que estiver assegurada uma melhor estanqueidade da rede,
nomeadamente no que respeita aos colectores, juntas e câmaras de visita.
Ainda em Portugal, o Manual de Saneamento, do Professor Novais Barbosa, considera
diversos valores de caudal de infiltração, por comprimento de rede, tendo em conta a
localização da rede em relação ao nível freático. A rede poderá localizar-se acima ou abaixo
do nível freático, bem como parcialmente abaixo deste. Deste modo, segundo este manual, os
valores dos caudais de infiltração variam, no período de vida do projecto, entre 0,2 l/s/km
para colectores que se encontram acima do nível freático, e 1 l/s/km para colectores que se
encontram abaixo do nível freático (Amorim, 2007).
Na Irlanda, segundo a Greater Dublin Área Sewer Network, o caudal de infiltração considera-
se igual a 10 a 15% do caudal médio diário em tempo seco (Amorim, 2007).
Nos Estados Unidos da América (EUA), segundo a USEPA Guidelines, o caudal de
infiltração considera-se igual a 140 l/d por mm de diâmetro e por quilómetro de comprimento
da rede. Ainda nos EUA, as indicações da ASCE-WEF (American Society of Civil Engineers
– Water Environment Federation), para o projecto de sistemas gravíticos domésticos, variam
de local para local, podendo variar de 0,05 até 1,39 m3/dia por centímetro de diâmetro e por
quilómetro de colector (Cardoso et al., s.d.).
Segundo METCALF e EDDY, o caudal de infiltração pode variar entre 0,094 a 9,4 m3/dia por
centímetro de diâmetro e por quilómetro de colector, podendo por vezes atingir valores
superiores. Estes autores indicam que, de acordo com a agência reguladora dos EUA, a
infiltração se considera significante se tomar valores superiores a 7,5 m3/dia por centímetro de
diâmetro e por quilómetro de colector. Estes autores consideram, ainda, que a variação da
infiltração poderá tomar valores entre 0,2 a 28 m3/ (ha.dia) (Metcalf et al., 1991).
No Botswana, estima-se como valor para o caudal de infiltração 10m3/ha/d para tubagens de
PVC (Amorim, 2007).
No Reino Unido, WHITE et al. indica que, para a prática de projecto que neste país se
efectua, 10% da capacidade do colector deve ser reservada para a infiltração em colectores
domésticos, de acordo com WAA (White et al., 1997).
Segundo a norma alemã ATV118, para o dimensionamento de sistemas de drenagem urbana,
é considerado um caudal de infiltração igual a 100% do caudal doméstico, podendo em certas
situações, desde que assim se justifique, assumir outro valor ou ser determinado numa base
diferente, por exemplo tendo em conta a área drenada. Esta norma indica, ainda, que no caso
de existirem sistemas unitários, o caudal de infiltração pode ser omitido no dimensionamento
dos colectores. No entanto, no dimensionamento de estruturas especiais e estações de
tratamento este deve ser considerado (Cardoso et al., s.d.).
No caso de existirem registos de medições locais de caudal, a estimativa da infiltração base
que ocorre num sistema de drenagem, não tendo como origem a precipitação, pode ser
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem CAPÍTULO 3
Ana Filipa Mota Mortinho 49
determinada em função da análise de registos de medição de caudal diário em tempo seco, em
função do caudal mínimo registado, o qual ocorre normalmente entre as 0:00 e as 6:00 horas.
Segundo COHEN, estudos onde foi realizada uma avaliação precisa dos caudais revelam que
o caudal nocturno é, em média, cerca de 8 a 12% do caudal médio diário sem ocorrência de
precipitação para bacias urbanas (Cohen et al., 1998). No entanto, esta relação pode por vezes
ser superior, em função da existência de caudais industriais ou outras afluências que
permaneçam constantes ao longo do tempo. Torna-se importante analisar com rigor o
comportamento do método de medição durante o período nocturno, uma vez que podem
existir erros relevantes originados nos menores caudais e alturas de água, bem como da
existência de reduzidas concentrações de sólidos em suspensão. Assim, estes problemas
existentes na medição de caudais em superfície livre poderão ter como resultado a sub-
estimativa de caudais nocturnos e, consequentemente, dos caudais de infiltração que surgem
efectivamente nos sistemas.
Controlo e Quantificação da Infiltração em Sistemas de Drenagem
50
CAPÍTULO 4
Ana Filipa Mota Mortinho 51
4. INDICADORES DE DESEMPENHO
A avaliação do desempenho das entidades gestoras é considerada uma ferramenta de gestão,
estando a desenvolver uma nova dinâmica na indústria da água. Esta avaliação requer a
utilização de medidas de referência, ou seja, o recurso a indicadores de desempenho (ID) e
níveis de qualidade de serviço.
Assim, a característica ou variável de estado que, tendo em conta os valores que assume,
traduz em termos quantitativos o desempenho do sistema, designa-se por ID ou medida de
desempenho. Um ID pode ser utilizado como uma medida quantitativa, ou em certos casos
qualitativa, de um aspecto particular do desempenho, ou prestação de serviço, de uma
entidade gestora (Matos et al., 2004).
Os IDs podem ser considerados como elementos chave na definição da eficiência e eficácia da
prestação de serviços por uma entidade gestora. Estes permitem a tomada de consciência por
parte de uma dada entidade gestora em relação a certos aspectos da sua actividade, bem como
do comportamento dos próprios sistemas. Desta forma, é realizada uma avaliação por
comparação com outras entidades gestoras, as quais trabalham com limitações e contextos
semelhantes. Esta avaliação por comparação com outros prestadores de serviços é designada
por benchmarking (Matos et al., 2004).
Assim, os IDs podem ser considerados como uma base de referência para o benchmarking
métrico (metric benchmark) – avaliação de desempenho quantitativa e comparativa. O
benchmarking métrico consiste numa comparação directa com “Bench marks” (valores de
referência). Normalmente, a comparação do desempenho na prestação similar de serviços é
efectuada através de benchmarking de processo (process benchmarking) – analisando
métodos de negócio, comparando a actividade de diversas organizações e procurando
reconhecer as melhores práticas (Matos et al., 2004).
Os IDs podem variar temporalmente, de acordo com as solicitações do sistema, bem como
espacialmente, ou seja, de elemento para elemento. Estes são obtidos através de dados de
monitorização e modelação do sistema em estudo, sendo fixados independentemente do grau
de desenvolvimento socioeconómico, ou mesmo da natureza do sistema institucional em que
determinada entidade gestora trabalha. Permitem, de uma forma genérica, reconhecer e ter em
conta determinados factores relacionados com as características económicas, demográficas,
culturais e climáticas.
É importante que os IDs sejam claramente definidos, com um significado conciso e uma
interpretação única para cada indicador, de fácil compreensão mesmo para não especialistas,
facilmente verificáveis (auditáveis), auto-explicativos e sempre relacionados com áreas e
períodos de tempo bem definidos (Matos et al., 2004).
Os IDs são expressos através de uma razão entre varáveis, podendo ser adimensionais, quando
são apresentados por exemplo em percentagem, bem como intensivos, quando expressem
intensidade (Matos et al., 2004).
Indicadores de Desempenho
52
Assim, cada entidade gestora reúne os valores das variáveis relativas ao exercício do ano
anterior, necessárias ao cálculo dos indicadores de desempenho, para de seguida as enviar à
ERSAR, a Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e Resíduos. É esta que avalia o
desempenho de cada entidade gestora, em função de determinados valores de referência que
possui, bem como fazendo uma análise comparativa com os indicadores de desempenho
obtidos para as diferentes entidades gestoras. Esta avaliação permite identificar para cada
entidade gestora o melhor ou pior desempenho do sistema.
Os ID são determinados neste contexto, através do conhecimento dos valores da infiltração,
podendo assim verificar de que modo é que esta afecta o desempenho de determinado sistema.
Deste modo, no contexto do projecto APUSS – Assessing Infiltration on the Performance of
Urban Sewer Systems, Alegre e Coelho sugeriram alguns indicadores de desempenho, os
quais permitem caracterizar o desempenho de um dado sistema de drenagem no que se refere
às afluências indevidas em colectores (Coelho et al., 1999).
Os indicadores propostos para avaliar o impacto da infiltração no desempenho dos sistemas de
drenagem separativos domésticos ou unitários são os seguintes (Coelho et al., 1999):
Qinf / Qsc (%) – Utilização da capacidade da secção cheia;
Qinf / Qmts (%) – Proporção do caudal em tempo seco;
Qinf / nº Cvisita (m3/s) – Caudal unitário por câmara de visita;
Qinf / Lcolector (m3/s/km) – Caudal unitário por comprimento do colector;
Qinf / (Lcolector x P) (m3/dia/(cm.km)) – Caudal unitário por área de parede do
colector.
As grandezas utilizadas para o cálculo dos indicadores de desempenho têm o seguinte
significado:
Qinf – caudal de infiltração;
Qsc – caudal de secção cheia do colector;
Qmts – caudal médio diário em tempo seco;
nº Cvisita – número de câmaras de visita;
Lcolector – comprimento do colector (km).
Indicadores de Desempenho CAPÍTULO 4
Ana Filipa Mota Mortinho 53
De seguida é apresentada uma breve explicação para cada um dos indicadores de desempenho
referidos anteriormente.
Qinf / Qsc (%) – Utilização da capacidade da secção cheia: esta medida indica qual é a
percentagem do caudal de infiltração relativamente ao valor do caudal de secção cheia do
colector, que representa a sua capacidade. Permite avaliar a percentagem da capacidade do
colector que é utilizada em consequência da ocorrência de infiltração. Este indicador não
entra em conta com nenhuma das origens possíveis da infiltração. Este valor pode ser obtido
elementarmente (num colector), sectorialmente (num subsistema) ou globalmente (em todo o
sistema). Neste caso é necessário conhecer a capacidade do colector a avaliar, o que não
apresenta dificuldade uma vez conhecida a inclinação, a geometria e o material do colector
em análise. Este indicador fornece informação sobre o desempenho hidráulico, dando um
valor relativo à capacidade do colector em análise mas não traduzindo qualquer informação
sobre a quantidade absoluta de infiltração ocorrida.
Qinf / Qmts (%) – Proporção do caudal em tempo seco: esta medida indica qual é a
percentagem de caudal de infiltração relativamente ao valor do caudal médio diário de tempo
seco. Permite comparar o peso da contribuição do caudal de infiltração relativamente ao
caudal médio diário de tempo seco. No entanto, este indicador não entra em conta com
nenhuma das origens possíveis da infiltração. Este valor pode ser obtido elementarmente
(num colector), sectorialmente (num subsistema) ou globalmente (em todo o sistema). Neste
caso é necessário conhecer o caudal médio de tempo seco escoado pelo colector a avaliar,
dado obtido através de medições ou por estimativa. Este indicador tem o inconveniente de ser
dependente da influência do caudal médio diário de tempo seco. Este indicador, se aplicado
ao caudal que chega à estação de tratamento, permite dar informação sobre o peso que o
caudal de infiltração pode ter nos gastos do tratamento. Neste caso, além de ser usado em
termos de volume pode ser aplicado em termos de percentagem de custos.
Qinf / nº Cvisita (m3/s) – Caudal unitário por câmara de visita: esta medida indica o
caudal médio de infiltração por câmara de visita. Efectivamente, as câmaras de visita são
possíveis origens de infiltração. Assim, para avaliar a influência do número de câmaras de
visita no caudal de infiltração, este valor deve ser determinado em troços de igual
comprimento, por forma a que a influência do comprimento do colector, outra origem de
infiltração, não se sobreponha com a das câmaras de visita. No entanto, este indicador não
entra em conta com a influência da infiltração ao longo do colector, nem nas ligações
domésticas. Este valor pode ser obtido sectorialmente (num subsistema) ou globalmente (em
todo o sistema). Neste caso, é necessário conhecer o número de câmaras de visita que
contribuem para a avaliação em causa, o que pode condicionar a aplicação deste indicador.
Em sistemas onde a infiltração seja predominantemente originada nas câmaras de visita, este
pode ser um indicador importante para avaliar os benefícios de reabilitação.
Indicadores de Desempenho
54
Qinf / Lcolector (m3/s/km) – Caudal unitário por comprimento do colector: esta medida
indica o caudal médio de infiltração que ocorre por km de comprimento do colector. Este
indicador não tem em conta a influência da infiltração nas câmaras de visita, nem nas ligações
domésticas. Este valor pode ser obtido elementarmente (num colector), sectorialmente (num
subsistema) ou globalmente (em todo o sistema). Neste caso, é necessário conhecer o
comprimento total dos colectores que contribuem para a avaliação em causa, o que pode
condicionar a aplicação deste indicador. No entanto, em sistemas onde a infiltração ocorra
predominantemente ao longo do colector pode ser um indicador importante para avaliar os
benefícios de reabilitação.
Qinf / (Lcolector x P) (m3/dia/(cm.km)) – Caudal unitário por área de parede do
colector: esta medida indica o caudal médio de infiltração em função da área de parede do
colector exposta a possíveis infiltrações. Este indicador não entra em conta com a influência
da infiltração nas câmaras de visita, nem nas ligações domésticas. Este valor pode ser obtido
elementarmente (num colector), sectorialmente (num subsistema) ou globalmente (em todo o
sistema). Neste caso, é necessário conhecer o valor total da área longitudinal dos colectores
que contribuem para a avaliação em causa, o que pode condicionar a aplicação deste
indicador. No entanto, em sistemas onde a infiltração ocorra predominantemente ao longo do
colector, pode ser um indicador importante para avaliar os benefícios de reabilitação.
Em Portugal, a ERSAR propôs 6 grupos de indicadores de desempenho para os serviços de
águas residuais, que no total perfazem 182 indicadores (Matos et al., 2004).
No Quadro 4.1 apresentam-se os 6 grupos de indicadores de desempenho propostos, bem
como os códigos correspondentes.
Quadro 4. 1 - Grupos de indicadores de desempenho (Matos et al., 2004)
Grupo de indicadores de
desempenho Código
Indicadores ambientais wEn
Indicadores de recursos humanos wPe
Indicadores infra-estruturais wPh
Indicadores operacionais wOp
Indicadores de qualidade de serviço wQS
Indicadores económico-financeiros wFi
Indicadores de Desempenho CAPÍTULO 4
Ana Filipa Mota Mortinho 55
No âmbito da infiltração são importantes apenas 4 dos 6 grupos de indicadores de
desempenho apresentados anteriormente. Os 4 grupos de indicadores de desempenho a
considerar são: os indicadores ambientais, infra-estruturais, operacionais e por fim os de
qualidade de serviço (Matos et al., 2004).
Indicadores ambientais (wEn)
Como o nome assim o indica, os indicadores ambientais avaliam o desempenho da entidade
gestora no que se refere aos impactes ambientais.
Estes são designados de wEn1 a wEn15, sendo o wEn5 o indispensável para a avaliação da
infiltração. Assim, o wEn5 refere-se ao volume de descargas de excedentes originadas por
precipitação (%).
wEn5 é obtido pelo quociente entre o volume total de águas residuais descarregado e o
volume anual de precipitação x 100, durante o período de referência, ou seja:
wEn5 = wA25 / wA26 x 100 (4.1)
sendo:
wA25 – Volume de descargas de excedentes (m3);
wA26 – Volume de precipitação (m3).
Este indicador (wEn5) pode ser calculado para períodos inferiores a um ano, sabendo-se que
se pode incorrer em erros de interpretação, pelo que se considera recomendável dispor de
informação das variáveis para períodos de pelo menos um ano.
Indicadores infra-estruturais (wPh)
Os indicadores infra-estruturais destinam-se a avaliar se as infra-estruturas de drenagem e de
tratamento de água residual ainda dispõem de capacidade suficiente (“encaixe”) para
operarem correctamente e em segurança, garantindo que os seus objectivos de serviço podem
ser atingidos.
Designam-se de wPh1 a wPh12, sendo o wPh6 o necessário para a avaliação em causa. Então,
o wPh6 diz respeito à entrada em carga de colectores em tempo de chuva (%).
Deste modo, este indicador é o resultado do quociente entre o comprimento dos colectores
onde se verificou entrada em carga em tempo de chuva, durante o período de referência, e o
comprimento total da rede de colectores na data de referência x 100, ou seja:
Indicadores de Desempenho
56
wPh6 = wC3 / wC1 x 100 (4.2)
sendo:
wC1 – Comprimento total da rede de colectores (km);
wC3 – Colectores em carga em tempo de chuva (m).
Esta informação pode ser obtida tanto por monitorização como por modelação hidráulica da
rede utilizando dados reais de precipitação. Este indicador pode ser calculado para períodos
inferiores a um ano, sabendo-se que se pode incorrer em erros de interpretação, pelo que se
considera recomendável dispor de informação das variáveis para períodos de pelo menos um
ano. Se o período de referência utilizado for inferior ao ano, as comparações internas devem
ser feitas com prudência e devem ser evitadas comparações com entidades externas.
Indicadores operacionais (wOp)
Os indicadores operacionais destinam-se a avaliar o desempenho da entidade gestora no que
se refere às actividades de operação e de manutenção.
Estes são designados de wOp1 a wOp56, de onde se destacam o wOp30, o wOp31 e o wOp32
como fundamentais para a avaliação da infiltração.
Deste modo:
wOp30 – refere-se à infiltração/exfiltração e ligações indevidas (%);
wOp31 – refere-se a ligações indevidas (m3/km/ano);
wOp32 – refere-se à infiltração (m3/km/ano).
A razão entre o volume de água entrado nos colectores, proveniente de águas subterrâneas ou
de ligações indevidas, deduzido do volume de água saída dos colectores para o solo
envolvente e o (volume de águas residuais domésticas, industriais e comerciais + volume
proveniente de ligações indevidas + volume de infiltração – volume de exfiltração) x 100,
durante o período de referência indica o valor do indicador de desempenho – wOp30, ou seja:
wOp30 = (wD35 + wD36 – wD37) / (wF1 + wD35 + wD36 – wD37) x 100 (4.3)
sendo:
wD35 – Volume de água de ligações indevidas (m3);
Indicadores de Desempenho CAPÍTULO 4
Ana Filipa Mota Mortinho 57
wD36 – Volume de água infiltrada (m3);
wD37 – Volume de água exfiltrada (m3);
wF1 – Águas residuais colectadas (m3).
O wOp31 é dado pelo quociente entre o volume de água entrado nos colectores, proveniente
de ligações indevidas durante o período de referência x 365 / período de referência e o
comprimento total da rede de colectores na data de referência, ou seja:
wOp31 = (wD35 x 365 / wH1) / wC1 (4.4)
sendo:
wC1 – Comprimento total da rede de colectores (km);
wD35 - Volume de água de ligações indevidas (m3);
wH1 – Duração do período de referência (dia).
Note-se que “ x 365 / duração do período de referência” é uma expressão de conversão de
unidades e não deve ser utilizada para extrapolações. Este indicador pode ser calculado para
períodos inferiores a um ano mas, nesse caso, tanto as comparações externas como internas à
entidade gestora devem ser feitas com prudência.
O wOp32 é obtido pelo quociente entre o volume de água entrado nos colectores, proveniente
de águas subterrâneas x 365 / período de referência e o comprimento total da rede de
colectores na data de referência, ou seja:
wOp32 = (wD36 x 365 / wH1) / wC1 (4.5)
sendo:
wC1 – Comprimento total da rede de colectores (km);
wD36 – Volume de água infiltrada (m3);
wH1 – Duração do período de referência (dia).
Note-se que “ x 365 / duração do período de referência” é uma expressão de conversão de
unidades e não deve ser utilizada para extrapolações. Este indicador pode ser calculado para
períodos inferiores a um ano mas, nesse caso, tanto as comparações externas como internas à
entidade gestora devem ser feitas com prudência.
Indicadores de Desempenho
58
Indicadores de qualidade de serviço (wQS)
Os indicadores de qualidade de serviço medem o nível de serviço prestado aos clientes.
Estes designam-se de wQS1 a wQS29, sendo o wQS11 e o wQS13 os indicadores relativos à
avaliação da infiltração.
Assim:
wQS11 – refere-se à inundação de alojamentos com origem em rede separativa de águas
residuais domésticas em tempo de chuva (n.º/1000 alojamentos/ano);
wQS13 – refere-se à inundação de alojamentos com origem em rede unitária de águas
residuais em tempo de chuva (n.º/1000 alojamentos/ano).
O wQS11 é obtido pelo quociente entre o número de alojamentos afectados por inundações
resultantes da rede separativa de águas residuais domésticas, em tempo de chuva, durante o
período de referência x 365 / período de referência e o número de alojamentos ligados à rede
de drenagem na data de referência x 1000, ou seja:
wQS11 = (wF3 x 365 / wH1) / wC28 x 1000 (4.6)
sendo:
wC28 – Alojamentos ligados à rede de drenagem (n.º);
wF3 – Alojamentos afectados por inundações resultantes da rede separativa de águas residuais
domésticas em tempo de chuva (n.º);
wH1 – Duração do período de referência (dia).
Apenas devem ser incluídas as inundações das redes separativas domésticas da
responsabilidade da entidade gestora. Note-se que as inundações podem afectar alojamentos
que não estão ligados à rede e que, neste caso, devem ser incluídos.
Note-se que “ x 365 / duração do período de referência” é uma expressão de conversão de
unidades e não deve ser utilizada para extrapolações. Este indicador pode ser calculado para
períodos inferiores a um ano, sabendo-se que se pode incorrer em erros de interpretação, pelo
que se considera recomendável dispor de informação das variáveis para períodos de pelo
menos um ano. Se o período de referência utilizado for inferior ao ano, as comparações
internas devem ser feitas com prudência e devem ser evitadas comparações com entidades
externas.
O indicador wQS13 é obtido pelo quociente entre o número de alojamentos afectados por
inundações resultantes da rede unitária de águas residuais, em tempo de chuva, durante o
período de referência x 365 / período de referência e o número de alojamentos ligados à rede
de drenagem na data de referência x 1000, ou seja:
Indicadores de Desempenho CAPÍTULO 4
Ana Filipa Mota Mortinho 59
wQS13 = (wF5 x 365 / wH1) / wC28 x 1000 (4.7)
sendo:
wC28 – Alojamentos ligados à rede de drenagem (n.º);
wF5 – Alojamentos afectados por inundações resultantes da rede unitária de águas residuais
domésticas em tempo de chuva (n.º);
wH1 – Duração do período de referência (dia).
Apenas devem ser incluídas as inundações das redes separativas unitárias da responsabilidade
da entidade gestora. Note-se que as inundações podem afectar alojamentos que não estão
ligados à rede e que, neste caso, devem ser incluídos.
Note-se que “ x 365 / duração do período de referência” é uma expressão de conversão de
unidades e não deve ser utilizada para extrapolações. Este indicador pode ser calculado para
períodos inferiores a um ano, sabendo-se que se pode incorrer em erros de interpretação, pelo
que se considera recomendável dispor de informação das variáveis para períodos de pelo
menos um ano. Se o período de referência utilizado for inferior ao ano, as comparações
internas devem ser feitas com prudência e devem ser evitadas comparações com entidades
externas.
A avaliação da prestação de serviços de uma dada entidade gestora, utilizando indicadores de
desempenho, deve ser executada através de uma definição clara e precisa dos objectivos que
se pretende analisar, definindo, em função desses objectivos, os indicadores que se
consideram mais adequados. É em função das particularidades do sistema, das suas principais
falhas, assim como da informação existente, que é escolhido um determinado indicador de
desempenho.
Todos os indicadores de desempenho apresentados anteriormente deverão ser analisados,
testados e aplicados a casos reais.
Os indicadores de desempenho ou medidas de desempenho são uma abordagem importante,
na medida em que é com base nestes que é possível analisar o melhor ou pior desempenho de
uma determinada entidade gestora.
No entanto, este assunto é recente e ainda se encontra em desenvolvimento, ou seja, existem
investigadores a trabalhar nesta área, por forma a propor novos indicadores de desempenho ou
mesmo actualizar os existentes.
O uso de indicadores em geral é ainda problemático, e tem sido objecto de crescente reflexão
nos últimos anos.
Indicadores de Desempenho
60
CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 61
5. ESTUDO DE CASO
5.1 Breve Descrição do Estudo de Caso
O estudo de caso tem como principal objectivo a quantificação das infiltrações directas e
indirectas para duas ETAR, aplicando dois dos métodos abordados anteriormente (Capítulo
3). Os dois métodos utilizados para a quantificação das infiltrações são o método do mínimo
móvel e o método do triângulo. Este estudo foi realizado para a ETAR do Choupal em
Coimbra e para a ETAR da Zona Urbana na Figueira da Foz.
O presente capítulo tem ainda como objectivo calcular alguns dos indicadores de desempenho
abordados no Capítulo 4.
5.2 Análise do Estudo de Caso
5.2.1 ETAR do Choupal
A ETAR do Choupal, em Coimbra, em funcionamento desde 1992 é considerada uma obra
bem conseguida na sua dimensão e estrutura. Esta ETAR encontra-se enquadrada numa zona
verde e recebe a água residual da zona Norte do concelho de Coimbra, da zona Urbana
(centro) e de uma parte da zona Sul.
Figura 5. 1 - ETAR do Choupal
Estudo de Caso
62
5.2.1.1 Método do mínimo móvel
O método do mínimo móvel foi aplicado à ETAR do Choupal com o intuito de estimar as
infiltrações na rede que drena para esta.
Este método baseia-se em medições diárias do caudal afluente à ETAR durante o período
considerado no estudo.
Assim, o respectivo método foi aplicado à ETAR do Choupal (maior do concelho) com base
nas medições diárias do caudal afluente a esta durante o ano de 2010.
Para a aplicação do referido método é necessário ter em conta os seguintes aspectos:
1. Adquirir os registos do caudal diário afluente a uma dada ETAR (neste caso à ETAR
do Choupal) durante o período de estudo considerado (neste caso um ano);
2. Determinar para cada dia o caudal mínimo de águas residuais (mínimo móvel);
3. Determinar o volume de infiltrações directas e indirectas.
Assim, os registos dos caudais diários afluentes à ETAR do Choupal são o ponto de partida
para a aplicação do método do mínimo móvel.
O mínimo móvel corresponde ao caudal mínimo de águas residuais, o qual é obtido tendo em
conta um período de 21 dias (3 semanas). Então, tal como o nome assim o indica, o mínimo
móvel é igual ao menor valor observado num período de 21 dias. Este procedimento é
aplicado ao longo do período de tempo considerado no estudo, neste caso de um ano (365
dias).
Assim, para cada sequência de 21 dias obtém-se o respectivo valor do mínimo móvel (caudal
mínimo de águas residuais), repetindo-se o processo até perfazer o período de tempo
considerado no estudo.
Para quantificar o volume de infiltrações directas e indirectas é necessário determinar o
volume anual afluente à ETAR, o volume de água residual e o volume de água residual com
infiltrações indirectas.
O volume anual afluente à ETAR corresponde ao total do volume diário afluente a esta
durante um ano. Assim, o volume anual afluente à ETAR do Choupal é igual a 12.023.855
m3.
Para estimar o volume de água residual é necessário ter em conta a água facturada (concelho),
a influência da ETAR do Choupal e o factor de afluência.
A água facturada corresponde a toda a água que se consumiu durante o ano de 2010 em todo o
concelho de Coimbra. No ano de 2010 a água facturada no concelho de Coimbra é igual a
10.982.983 m3.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 63
Considerou-se apenas 70% da água facturada, uma vez que a área de influência da ETAR do
Choupal corresponde a cerca de 70% do município, ou seja, cerca de 70% da população do
município de Coimbra drena as suas águas residuais para a ETAR do Choupal.
Como nem toda a água distribuída atinge a rede de águas residuais, torna-se necessário ter em
conta um factor de afluência à rede. O factor de afluência é definido como o quociente entre o
volume afluente à rede de águas residuais e o volume de água consumida (Marques et al.,
2008). No respectivo estudo adoptou-se 0,8 para o factor de afluência.
O volume de água residual é assim obtido pelo produto entre a água facturada, a influência da
ETAR do Choupal e o factor de afluência (10.982.983 m3 * 70% * 0,8), tomando assim o
valor de 6.150.470 m3.
É com base no volume de água residual que é possível determinar a média diária de água
residual (Figura 5.3).
A média diária de água residual é obtida através do quociente entre o volume de água residual
e o período de tempo considerado no estudo (365 dias).
A média diária de água residual é igual a 16.851 m3/dia.
O volume de água residual com infiltrações indirectas corresponde ao total do caudal mínimo
de águas residuais (mínimo móvel), podendo também ser obtido através do produto entre a
média do mínimo móvel e o período de tempo considerado no estudo (365 dias).
A média do mínimo móvel é igual a 22.924,10 m3/dia (Figura 5.3).
Assim, o volume de água residual com infiltrações indirectas toma o valor de 8.367.297 m3
(22.924,10 m3/dia * 365 dias).
Deste modo, o volume de infiltrações indirectas é obtido pela diferença entre o volume de
água residual com infiltrações indirectas e o volume de água residual.
O volume de infiltrações indirectas toma o valor de 2.216.827 m3 (8.367.297 m
3 - 6.150.470
m3).
O volume de infiltrações directas é obtido pela diferença entre o volume anual afluente à
ETAR do Choupal e o volume de água residual com infiltrações indirectas.
O volume de infiltrações directas toma o valor de 3.656.558 m3
(12.023.855 m3 - 8.367.297
m3).
Estudo de Caso
64
No Quadro 5.1 apresentam-se de forma sintetizada os valores obtidos por aplicação do
método do mínimo móvel.
Quadro 5. 1 - Resultados obtidos por aplicação do método do mínimo móvel
Volume anual afluente à ETAR
(m3)
12.023.855
Volume de água residual (m3) 6.150.470
Média diária de água residual
(m3/dia)
16.851
Média do mínimo móvel (m3/dia) 22.924,10
Volume de água residual com
infiltrações indirectas (m3)
8.367.297
Volume de infiltrações indirectas
(m3)
2.216.827
% de Infiltrações indirectas 18,44
Volume de infiltrações directas
(m3)
3.656.558
% de Infiltrações directas 30,41
O resultado do respectivo método pode ser apresentado através de um hidrograma, tal como
apresentado na Figura 5.2.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 65
Figura 5. 2 - Resultado do método do mínimo móvel para a ETAR do Choupal
Estudo de Caso
66
Através da Figura 5.2 é possível analisar a variação do volume diário afluente à ETAR do
Choupal, o mínimo móvel e a sua média diária, bem como a média diária de água residual.
Pela análise da variação do volume diário afluente à ETAR do Choupal é possível verificar
que existe uma maior afluência de caudal durante os meses de Inverno, existindo uma
diminuição significativa durante os meses de Verão.
Este facto é facilmente compreensível, uma vez que é nos meses de Inverno que existe uma
maior ocorrência de eventos pluviométricos, conduzindo assim à existência de infiltrações
directas. Como parte significativa da rede de Coimbra é unitária, nos meses de Inverno existe
uma maior afluência de caudal à ETAR.
Nos meses de Verão verifica-se uma diminuição significativa do caudal afluente à ETAR do
Choupal, uma vez que no período de Verão existe uma diminuição da ocorrência de eventos
pluviométricos, conduzindo desta forma a uma menor afluência de caudal à ETAR. Outro
aspecto importante é o facto de em Coimbra existir, nos meses de Verão, uma diminuição
significativa do número de pessoas, levando desta forma a que exista um menor volume de
água residual, que por sua vez conduz a uma diminuição do mínimo móvel.
Da Figura 5.2 é possível obter as seguintes conclusões:
a área que se encontra por baixo da linha que representa a média diária de água
residual indica o volume anual de água residual;
a área que se encontra por baixo da linha que representa o mínimo móvel indica o
volume anual de água residual incluindo a infiltração indirecta obtida através do
mínimo móvel;
a área que se encontra por baixo da linha que representa o volume diário indica o
volume anual de água que aflui à ETAR.
5.2.1.2 Método do triângulo
O método do triângulo tem como principal objectivo estimar as várias componentes do caudal
afluente a uma dada ETAR.
Assim, é possível fazer a separação entre o caudal médio de origem doméstica, as infiltrações
directas (escoamento superficial) e indirectas.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 67
A série cronológica dos registos pluviométricos e de caudais diários afluentes à ETAR do
Choupal, no ano de 2010, encontra-se representada na Figura 5.3.
Figura 5. 3 - Diagrama cronológico de caudais medidos na ETAR do Choupal e da
precipitação registada durante o ano de 2010 (eixo inferior - caudal; eixo superior -
precipitação)
Estudo de Caso
68
Da análise do diagrama cronológico de caudais e precipitações é possível verificar que existe
uma clara correspondência do aumento de caudal com as precipitações mais elevadas. Os dias
em que o caudal tende a ser mais elevado são antecedidos por um período de precipitação
mais longo. É ainda possível observar um decaimento generalizado dos caudais na forma de
uma curva de esgotamento, nos dias em que se seguem ao fim da precipitação. Este
decaimento pode ter interpretação no efeito da drenagem rápida na rede.
As parcelas relativas à infiltração directa e indirecta obtêm-se de acordo com a metodologia
apresentada seguidamente.
Com base nas medições diárias do caudal afluente à ETAR do Choupal, durante o ano de
2010, foi possível aplicar o método do triângulo.
Para aplicar o método do triângulo é necessário:
Adquirir os registos do caudal diário afluente a uma dada ETAR (neste caso à ETAR
do Choupal) durante o período de estudo considerado (neste caso um ano);
Determinar, ordenar e representar os caudais diários, registados na ETAR do Choupal,
por ordem crescente de grandeza e em percentagem do valor máximo verificado no
período considerado no estudo (neste caso um ano);
Determinar e representar a percentagem de tempo do período considerado (neste caso
um ano);
Determinar o caudal médio de origem doméstica;
Determinar os dias influenciados por precipitação (percentagem do total);
Determinar a área do gráfico que corresponde à infiltração directa e indirecta.
É com base na ordenação e representação dos caudais diários registados na ETAR, por ordem
crescente de grandeza e em percentagem do valor máximo verificado no período considerado
no estudo, neste caso um ano, que é possível representar a curva de caudais classificados. Esta
possibilita a quantificação dos volumes gerados por cada uma das parcelas, no final de uma
série temporal, através da separação das áreas na curva de caudais classificados que são
equivalentes aos volumes de infiltração indirecta e de infiltração directa.
Sendo o método do triângulo um método gráfico baseado em medições diárias, no eixo
vertical encontra-se representado o volume diário em percentagem do valor máximo
observado e no eixo horizontal a percentagem do tempo no período de um ano (Figura 5.4).
O valor máximo observado dos registos diários do caudal afluente à ETAR do Choupal
durante o ano de 2010 é de 122.882 m3.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 69
O caudal médio de origem doméstica é determinado tendo em conta a média diária de água
residual.
A média diária de água residual é estimada em função do volume de água residual. Este é
quantificado tendo em conta os valores da água facturada no concelho de Coimbra, a
influência da ETAR do Choupal assim como do factor de afluência.
Estes valores foram estimados quando se realizou a aplicação do método do mínimo móvel
para a ETAR do Choupal (Secção 5.2.1.1).
Assim, o volume de água residual toma o valor de 6.150.470 m3 e, por sua vez, a média diária
de água residual é igual a 16.851 m3/dia.
Logo, o caudal médio de origem doméstica é determinado pelo quociente entre a média diária
de água residual e o valor máximo observado (%), tomando o valor de 13,71%.
Da análise dos registos diários do caudal afluente à ETAR do Choupal e da precipitação diária
durante o ano de 2010, é possível contabilizar os dias influenciados por precipitação.
Deste modo, os dias influenciados por precipitação são 272 e os restantes são 93.
Logo, a percentagem de dias com chuva é igual ao quociente entre os dias influenciados por
precipitação e 365 dias (período de tempo considerado no estudo), tomando o valor de
74,52%. A percentagem dos restantes dias é igual a 25,48%.
Na Figura 5.4 os dias influenciados por precipitação são marcados, em percentagem, da
direita para a esquerda, e o ponto de intersecção da respectiva abcissa com a curva de caudais
totais corresponde ao início da linha de separação. O final desta linha corresponde à
intersecção, à direita, com a linha horizontal da componente doméstica onde esta intersecta a
abcissa dos 100%.
Então, as áreas que se encontram acima e abaixo desta linha de separação correspondem,
respectivamente, aos volumes devidos à infiltração directa e à infiltração indirecta.
Na Figura 5.4 é apresentado o resultado da aplicação do método do triângulo para a separação
das componentes de origem doméstica/industrial, infiltração indirecta e infiltração directa
para a ETAR do Choupal no ano de 2010.
Estudo de Caso
70
Figura 5. 4 - Aplicação do método do triângulo para a separação das parcelas do caudal
afluente à ETAR do Choupal
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 71
Por análise da Figura 5.4 é possível verificar que a área que se encontra abaixo da linha
característica do caudal de origem doméstica corresponde ao volume anual de água residual
doméstica.
A área compreendida entre a curva de caudais organizados por ordem crescente em
percentagem do máximo observado e a linha horizontal, a qual diz respeito ao caudal médio
de origem doméstica, é equivalente ao volume anual excedente que aflui à ETAR do Choupal
no ano de 2010. O volume anual excedente corresponde ao volume de infiltração directa e ao
volume de infiltração indirecta.
Através do integral do gráfico obtido por aplicação do método do triângulo, é possível
quantificar as infiltrações quer de origem directa quer de origem indirecta.
A área entre o eixo horizontal e a curva de caudais organizados por ordem crescente em
percentagem do máximo observado representa a totalidade do caudal afluente à ETAR. O
quociente entre a área de infiltração directa e a área total do caudal afluente à ETAR
representa a percentagem de infiltração directa afluente à ETAR do Choupal.
A percentagem de infiltração directa é igual a 36,50%.
O quociente entre a área de infiltração indirecta e a área total do caudal afluente à ETAR
representa a percentagem de infiltração indirecta afluente à ETAR do Choupal.
A percentagem de infiltração indirecta é igual a 12,35%.
A área correspondente à infiltração directa é superior à área associada à infiltração indirecta
pelo que, em termos gerais, a contribuição da primeira é mais significativa do que a da
segunda no total do caudal afluente à ETAR.
5.2.1.3 Comparação e interpretação dos resultados
No Quadro 5.2 é possível analisar e comparar a percentagem de infiltração directa e indirecta
obtida por aplicação do método do mínimo móvel e do método do triângulo.
Quadro 5. 2 - Percentagem de infiltrações obtidas pelo método do mínimo móvel e pelo
método do triângulo
Método do mínimo móvel Método do triângulo
Infiltração indirecta (%) 18,44 12,35
Infiltração directa (%) 30,41 36,50
Total (%) 48,85 48,85
Estudo de Caso
72
Por análise do Quadro 5.2 é possível verificar que as percentagens de infiltrações (directas e
indirectas) obtidas pelo método do mínimo móvel diferem um pouco das percentagens de
infiltrações (directas e indirectas) obtidas pelo método do triângulo.
No entanto, face ao que é necessário estimar e aos pressupostos de cada um dos métodos, é
possível afirmar que as diferenças obtidas não são muito significativas.
Por análise do Quadro 5.2 é ainda possível verificar que existe uma grande percentagem de
infiltrações quer de origem directa quer de origem indirecta.
No entanto, são as infiltrações de origem directa que mais se fazem sentir pelo facto da maior
parte da rede que drena para a ETAR do Choupal ser do tipo unitário, isto é, constituída por
uma única rede de colectores, onde são conjuntamente admitidas as águas residuais
domésticas e as águas pluviais (Marques et al., 2008).
Os valores obtidos para as infiltrações indirectas devem-se ao facto de a ETAR do Choupal se
encontrar muito próxima do rio Mondego. Assim, antes da construção do Açude-ponte, o rio
Mondego escoava a cotas inferiores às dos colectores. No entanto, com a construção do
Açude-ponte a cota do rio subiu, originando a subida do nível freático que passou a ser
superior aos colectores. Esta situação pode ser a explicação para a grande afluência de
infiltrações indirectas à rede.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 73
5.2.2 ETAR da Zona Urbana
A ETAR da Zona Urbana, na Figueira da Foz, encontra-se em funcionamento desde 2003.
Esta ETAR, situada na freguesia de Vila Verde, foi dimensionada para receber as águas
residuais domésticas de 70 mil habitantes, servindo actualmente cerca de 35 mil habitantes
(APDA, 2005).
Figura 5. 5 - ETAR da Zona Urbana (Google, s.d.)
5.2.2.1 Método do mínimo móvel
O método do mínimo móvel foi aplicado à ETAR da Zona Urbana com o objectivo de estimar
as infiltrações na rede que drena para esta.
O respectivo método foi aplicado à ETAR da Zona Urbana com base nas medições diárias do
caudal afluente a esta durante o ano de 2010.
O procedimento utilizado na aplicação do método do mínimo móvel para a ETAR da Zona
Urbana é idêntico ao utilizado para a ETAR do Choupal.
Assim, o volume de infiltrações indirectas é obtido pela diferença entre o volume de água
residual com infiltrações indirectas e o volume de água residual. Por sua vez o volume de
infiltrações directas é obtido pela diferença entre o volume anual afluente à ETAR da Zona
Urbana e o volume de água residual com infiltrações indirectas.
Deste modo, é necessário determinar o volume anual afluente à ETAR, o volume de água
residual e o volume de água residual com infiltrações indirectas.
Estudo de Caso
74
O volume anual afluente à ETAR da Zona Urbana corresponde ao total do volume diário
afluente a esta durante o ano de 2010, tomando assim o valor de 2.813.159 m3.
Para estimar o volume de água residual é necessário ter em conta a água facturada na área de
influência da ETAR da Zona Urbana, assim como o factor de afluência.
No ano de 2010, o valor da água facturada na área de influência da ETAR da Zona Urbana é
de 2.386.339 m3.
Adoptou-se o valor de 0,8 para o factor de afluência.
Assim, o volume de água residual é obtido pelo produto entre a água facturada na área de
influência da ETAR e o factor de afluência, isto é, 2.386.339 m3 * 0,8, sendo assim igual a
1.909.071 m3.
Conhecendo o volume de água residual facilmente se determina a média diária de água
residual (Figura 5.6).
A média diária de água residual é obtida pelo quociente entre o volume de água residual e o
período de tempo considerado no estudo (neste caso 365 dias).
A média diária de água residual é igual a 5.230 m3/dia.
O volume de água residual com infiltrações indirectas corresponde ao total do caudal mínimo
de águas residuais (mínimo móvel), podendo também ser obtido pelo produto entre a média
do mínimo móvel e o período de tempo considerado no estudo (neste caso 365 dias).
O mínimo móvel corresponde ao caudal mínimo de águas residuais, o qual é obtido tendo em
conta um período de 21 dias (3 semanas). A média do mínimo móvel toma o valor de
6.155,96 m3/dia (Figura 5.6).
Deste modo, o volume de água residual com infiltrações indirectas é igual a 2.246.925 m3
(6.155,96 m3/dia * 365 dias).
Então, a diferença entre o volume de água residual com infiltrações indirectas e o volume de
água residual tem como resultado o volume de infiltrações indirectas, tomando o valor de
337.854 m3 (2.246.925 m
3 - 1.909.071 m
3).
O volume de infiltrações directas é obtido pela diferença entre volume anual afluente à ETAR
da Zona Urbana e o volume de água residual com infiltrações indirectas, tomando o valor de
566.234 m3 (2.813.159 m
3 - 2.246.925 m
3).
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 75
No Quadro 5.3 apresentam-se de forma sintetizada os valores obtidos por aplicação do
método do mínimo móvel para a ETAR da Zona Urbana.
Quadro 5. 3 - Resultados obtidos por aplicação do método do mínimo móvel
Volume anual afluente à ETAR
(m3)
2.813.159
Volume de água residual (m3) 1.909.071
Média diária de água residual
(m3/dia)
5.230
Média do mínimo móvel (m3/dia) 6.155,96
Volume de água residual com
infiltrações indirectas (m3)
2.246.925
Volume de infiltrações indirectas
(m3)
337.854
% de Infiltrações indirectas 12,01
Volume de infiltrações directas
(m3)
566.234
% de Infiltrações directas 20,13
O método do mínimo móvel para a ETAR da Zona Urbana tem como resultado o hidrograma
apresentado na Figura 5.6.
Estudo de Caso
76
Figura 5. 6 - Resultado do método do mínimo móvel para a ETAR da Zona Urbana
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 77
Pela Figura 5.6 é possível analisar a variação do volume diário afluente à ETAR da Zona
Urbana, o mínimo móvel, a média do mínimo móvel, assim como a média diária de água
residual.
É ainda possível analisar que o volume diário afluente à ETAR da Zona Urbana tem um
comportamento mais ou menos idêntico ao longo de todo o ano.
Nos meses de Inverno existe por vezes uma maior afluência de caudal à ETAR pelo facto de
existir uma maior ocorrência de eventos pluviométricos, os quais conduzem à existência de
infiltrações directas.
Nos meses de Verão, em comparação com os meses de Inverno, existe uma diminuição do
caudal afluente à ETAR, uma vez que no período de Verão existe uma diminuição da
ocorrência de eventos pluviométricos conduzindo desta forma a uma menor afluência de
caudal à ETAR. No entanto, é possível verificar que, principalmente nos meses de Julho e
Agosto, existe um aumento gradual do volume diário afluente à ETAR da Zona Urbana.
Sendo a Figueira da Foz uma zona turística, é durante a época balnear que existe uma maior
afluência de pessoas a esta cidade conduzindo desta forma a um aumento do caudal afluente à
ETAR.
Tal como para a ETAR do Choupal, também para a ETAR da Zona Urbana é possível tirar as
seguintes conclusões:
a área que se encontra por baixo da linha que representa a média diária de água
residual indica o volume anual de água residual;
a área que se encontra por baixo da linha que representa o mínimo móvel indica o
volume anual de água residual incluindo a infiltração indirecta obtida através do
mínimo móvel;
a área que se encontra por baixo da linha que representa o volume diário indica o
volume anual de água que aflui à ETAR.
5.2.2.2 Método do triângulo
O método do triângulo foi aplicado à ETAR da Zona Urbana com o intuito de estimar as
várias componentes do caudal afluente a esta (caudal médio de origem doméstica, infiltrações
directas e infiltrações indirectas).
O procedimento utilizado na aplicação do método do triângulo para a ETAR da Zona Urbana
é idêntico ao utilizado para a ETAR do Choupal.
Com base nas medições diárias do caudal afluente à ETAR da Zona Urbana durante o ano de
2010 foi possível aplicar o método do triângulo.
Estudo de Caso
78
A curva de caudais classificados é representada com base na ordenação e representação dos
caudais diários registados na ETAR, por ordem crescente de grandeza e em percentagem do
valor máximo verificado no período considerado no estudo (um ano).
O valor máximo observado dos registos diários do caudal afluente à ETAR da Zona Urbana
durante o ano de 2010 é de 22.624 m3.
O caudal médio de origem doméstica é determinado tendo em conta a média diária de água
residual.
A média diária de água residual foi estimada quando se realizou a aplicação do método do
mínimo móvel para a ETAR da Zona Urbana (Secção 5.2.2.1), sendo igual a 5.230 m3/dia.
Logo, o caudal médio de origem doméstica é determinado pelo quociente entre a média diária
de água residual e o valor máximo observado (%), tomando o valor de 23,12%.
Pelos registos diários do caudal afluente à ETAR da Zona Urbana e com os dados relativos
aos dias de chuva e de sol para o período de um ano, foi possível realizar uma estimativa dos
dias influenciados por precipitação.
Assim, os dias influenciados por precipitação são 200 e os restantes são 165.
Logo, a percentagem de dias influenciados por precipitação é igual ao quociente entre os dias
influenciados por precipitação e 365 dias (período considerado no estudo), tomando o valor
de 54,79%. A percentagem dos restantes dias toma o valor de 45,21%.
Os dias influenciados por precipitação são marcados, em percentagem, da direita para a
esquerda, e o ponto de intersecção da respectiva abcissa com a curva de caudais totais
corresponde ao início da linha de separação (Figura 5.7). O final desta linha corresponde à
intersecção, à direita, com a linha horizontal da componente doméstica onde esta intersecta a
abcissa dos 100%.
Então, as áreas que se encontram acima e abaixo desta linha de separação correspondem,
respectivamente, aos volumes devidos à infiltração directa e à infiltração indirecta.
Na Figura 5.7 é apresentado o resultado da aplicação do método do triângulo para a separação
das componentes de origem doméstica, infiltração indirecta e infiltração directa para a ETAR
da Zona Urbana no ano de 2010.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 79
Figura 5. 7 - Aplicação do método do triângulo para a separação das parcelas do caudal
afluente à ETAR da Zona Urbana
Estudo de Caso
80
Tal como verificado na aplicação do método do triângulo para a ETAR do Choupal
(Figura5.4), também na aplicação do método do triângulo para a ETAR da Zona Urbana
(Figura 5.7) é possível verificar que a área que se encontra abaixo da linha característica do
caudal de origem doméstica corresponde ao volume anual de água residual doméstica.
A área compreendida entre a curva de caudais organizados por ordem crescente em
percentagem do máximo observado e a linha horizontal, a qual diz respeito ao caudal médio
de origem doméstica, é equivalente ao volume anual excedente que aflui à ETAR da Zona
Urbana no ano de 2010. O volume anual excedente corresponde à infiltração indirecta e à
infiltração directa.
A quantificação das infiltrações directas e indirectas é conseguida através do integral do
gráfico obtido por aplicação do método do triângulo (Figura 5.7).
Deste modo, a área entre o eixo horizontal e a curva de caudais organizados por ordem
crescente em percentagem do máximo observado representa a totalidade do caudal afluente à
ETAR.
O quociente entre a área de infiltração directa e a área total do caudal afluente à ETAR
representa a percentagem de infiltração directa afluente à ETAR do Choupal, tomando o valor
aproximado de 16,63%.
O quociente entre a área de infiltração indirecta e a área total do caudal afluente à ETAR
representa a percentagem de infiltração indirecta afluente à ETAR do Choupal, sendo
aproximadamente igual a 15,51%.
5.2.2.3 Comparação e interpretação dos resultados
Através do Quadro 5.4 é possível analisar e comparar a percentagem de infiltração directa e
indirecta obtida por aplicação do método do mínimo móvel e do método do triângulo.
Quadro 5. 4 - Percentagem de infiltrações obtidas pelo método do mínimo móvel e pelo
método do triângulo
Método do mínimo móvel Método do triângulo
Infiltração indirecta (%) 12,01 15,51
Infiltração directa (%) 20,13 16,63
Total (%) 32,14 32,14
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 81
Por análise do Quadro 5.4 é possível verificar que as percentagens de infiltrações (directas e
indirectas) obtidas pelo método do mínimo móvel diferem um pouco das percentagens de
infiltrações (directas e indirectas) obtidas pelo método do triângulo.
O método do mínimo móvel e o método do triângulo são métodos diferentes que partem de
pressupostos distintos e, portanto, as diferenças obtidas até são bastante aceitáveis.
Por análise do Quadro 5.4 é ainda possível verificar que a percentagem de infiltrações, quer
de origem directa quer de origem indirecta, são bastante significativas, sendo a percentagem
de infiltração directa superior à percentagem de infiltração indirecta.
O valor existente para a percentagem de infiltrações directas é explicado pelo facto de parte
significativa da rede que drena para a ETAR da Zona Urbana ser do tipo unitário.
A percentagem de infiltrações indirectas é justificada pela proximidade do rio Mondego e do
mar à ETAR da Zona Urbana. Assim, é bastante provável que alguns dos colectores da zona
baixa da cidade estejam implantados a cotas inferiores à da maré, o que poderá ter como
consequência a afluência de infiltrações indirectas à rede.
5.3 Indicadores de Desempenho
O cálculo dos indicadores de desempenho é realizado tendo em conta os volumes obtidos por
aplicação do método do mínimo móvel.
Este cálculo é realizado para a ETAR do Choupal e para a ETAR da Zona Urbana.
No Quadro 5.5 apresentam-se de forma sintetizada os valores obtidos para os volumes de
infiltração directa e de infiltração indirecta, assim como o volume de água residual com
infiltrações indirectas para a ETAR do Choupal e para a ETAR da Zona Urbana.
Quadro 5. 5 - Volumes de infiltração directa e indirecta e volumes de água residual com
infiltrações indirectas obtidos para a ETAR do Choupal e para a ETAR da Zona Urbana
ETAR do Choupal ETAR da Zona Urbana
Volume anual de
infiltrações directas (m3)
3.656.558 566.234
Volume anual de
infiltrações indirectas (m3)
2.216.827 337.854
Volume anual de água
residual com infiltrações
indirectas (m3)
8.367.297 2.246.925
Estudo de Caso
82
5.3.1 ETAR do Choupal
É com base nos dados relativos à rede que drena para a ETAR do Choupal que é possível
calcular alguns dos indicadores de desempenho abordados no Capítulo 4.
Os dados da rede que drena para a ETAR do Choupal são:
Comprimento total de colectores = 537 km;
Número de câmaras de visita = 17.408;
Diâmetros em todo o sistema: A informação fornecida sobre os diâmetros existentes
ao longo de todo o sistema indica que 85% da rede doméstica apresenta um diâmetro
de 200 mm e os restantes 15% apresentam diâmetros superiores. Assim, assumiu-se
que dos restantes 15%, 10% apresentam um diâmetro de 250 mm e 5% apresentam um
diâmetro de 315 mm.
5.3.1.1 Indicadores de desempenho propostos pela ERSAR
Segundo a ERSAR, para a avaliação dos caudais de infiltração são importantes 4 grupos de
indicadores de desempenho: os indicadores ambientais, os infra-estruturais, os operacionais e
por fim os de qualidade de serviço, tal como abordado no capítulo 4.
Dos 4 grupos de indicadores de desempenho apenas é possível calcular os indicadores
operacionais, uma vez que apenas se dispõe de dados para o cálculo destes.
As variáveis envolvidas no cálculo destes indicadores são:
wD35 – Volume de água de ligações indevidas (m3);
Devido à falta de dados relativos unicamente ao volume de ligações indevidas (ligações de
águas pluviais a um colector de águas residuais domésticas), calcularam-se os indicadores
com o volume de infiltrações directas.
O volume de infiltrações directas contabiliza o volume de água de ligações indevidas assim
como o volume de água que atinge o colector através das juntas ou fissuras existentes na rede
ou mesmo através das câmaras de visita.
O volume anual de infiltrações directas é igual a 3.656.558 m3.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 83
wD36 – Volume de água infiltrada (m3);
Por definição, a infiltração consiste na entrada de águas subterrâneas no sistema de drenagem
de águas residuais. Deste modo, assume-se que o volume de água infiltrada é igual ao volume
anual de infiltração indirecta, sendo igual a 2.216.827 m3.
wD37 – Volume de água exfiltrada (m3);
Uma vez que não se dispõe de informação relativa ao volume de água exfiltrada, considerou-
se que este toma um valor nulo.
wF1 – Águas residuais colectadas (m3);
Por definição, água residual colectada é toda a água residual doméstica e/ou industrial,
transportada através da rede de colectores em tempo seco (não inclui a água pluvial resultante
de tempo de chuva). Deste modo assume-se que a água residual colectada é igual ao volume
anual de água residual com infiltrações indirectas, sendo igual a 8.367.297 m3.
wC1 – Comprimento total da rede de colectores (km);
O comprimento total da rede de colectores é igual a 537 km.
wH1 – Duração do período de referência (dia).
No respectivo estudo o período de referência é de 1 ano, ou seja, 365 dias.
Com base, na informação apresentada anteriormente é possível determinar os seguintes
indicadores operacionais:
wOp30 – refere-se à infiltração/exfiltração e ligações indevidas (%);
wOp31 – refere-se a ligações indevidas (m3/km/ano);
wOp32 – refere-se à infiltração (m3/km/ano).
Então:
wOp30 = (wD35 + wD36 – wD37) / (wF1 + wD35 + wD36 – wD37) x 100
(5.1)
Estudo de Caso
84
Substituindo cada uma das variáveis pelos valores apresentados anteriormente obtém-se
wOp30 igual a 41,24%.
wOp31 = (wD35 x 365 / wH1) / wC1 (5.2)
Substituindo, obtém-se wOp31 igual a 6.809,23 m3/km/ano.
wOp32 = (wD36 x 365 / wH1) / wC1 (5.3)
Substituindo, obtém-se wOp32 igual a 4.128,17m3/km/ano.
5.3.1.2 Outros indicadores
Seguidamente são determinados os seguintes indicadores de desempenho:
Qinf / Qsc (%) - esta medida indica qual é a percentagem do caudal de infiltração
relativamente ao valor do caudal de secção cheia do colector, que representa a sua
capacidade;
Qinf / Qmts (%) - esta medida indica qual é a percentagem de caudal de infiltração
relativamente ao valor do caudal médio diário de tempo seco;
Qinf / nº Cvisita (m3/s) - esta medida indica o caudal médio de infiltração por câmara de
visita;
Qinf / (Lcolector x P) (m3/dia/(cm.km)) - esta medida indica o caudal médio de infiltração
em função da área de parede do colector exposta a possíveis infiltrações.
Assim:
Qinf / Qsc (%)
Não se dispõe de informação para o cálculo deste indicador.
Qinf / Qmts (%)
O Qmts representa o valor do caudal médio diário em tempo seco. Este é obtido pelo quociente
entre o volume de água residual com infiltrações indirectas (volume de água residual +
volume de infiltração indirecta) e o período de tempo considerado no estudo, ou seja:
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 85
Qmts = 8.367.297 m3/ano / 365 dias Qmts = 22.924,10 m
3/dia
No cálculo do caudal médio diário em tempo seco (Qmts) incluiu-se o caudal de infiltração
indirecta.
Assume-se que o caudal de infiltração (Qinf) é igual à soma do caudal de infiltração indirecta
com o caudal de infiltração directa.
Assim:
Qinf = 2.216.827 + 3.656.558 = 5.873.385 m3/ano = 16.091,47 m
3/dia
Então:
Qinf / Qmts = 16.091,47/22.924,10 Qinf / Qmts = 70,19%
O valor de 70,19% indica a percentagem de caudal de infiltração relativamente ao caudal
médio diário de tempo seco.
Qinf / nº Cvisita (m3/s)
O nº Cvisita representa o número de câmaras de visita, sendo igual a 17.408.
Uma vez que não se dispõe de informação relativa ao caudal que infiltra unicamente pelas
câmaras de visita, calculou-se este indicador com base no caudal de infiltração total. Assim,
assume-se que o caudal de infiltração (Qinf) é igual à soma do caudal de infiltração indirecta
com o caudal de infiltração directa.
Assim:
Qinf = 2.216.827 + 3.656.558 = 5.873.385 m3/ano = 16.091,47 m
3/dia = 0,186244 m
3/s
Então:
Qinf / nº Cvisita = 0,186244/17.408 Qinf / nº Cvisita = 0,000011m3/s
O valor de 0,000011 m3/s representa o caudal médio de infiltração por câmara de visita.
Qinf / (Lcolector x P) (m3/dia/(cm.km))
Assume-se que o caudal de infiltração (Qinf) é igual ao total do caudal de infiltração, ou seja, à
soma do caudal de infiltração indirecta com o caudal de infiltração directa.
Assim:
Qinf = 2.216.827 + 3.656.558 = 5.873.385 m3/ano = 16.091,47 m
3/dia
Estudo de Caso
86
O Lcolector representa o comprimento do colector (km) sendo igual a 537 km e P refere-se ao
perímetro (cm).
No Quadro 5.6 apresenta-se de forma sintetizada alguns cálculos necessários para a
determinação do indicador de desempenho Qinf / (Lcolector x P).
Quadro 5. 6 - Determinação do (Lcolector x Perimetro)
Diâmetros (mm) Lcolector (km) Perímetro - πD (cm) Lcolector * Perímetro
(cm.km)
Φ200 85% * 537 = 456,45 62,83 28.678,75
Φ250 10% * 537 = 53,70 78,54 4.217,60
Φ315 5% * 537 = 26,85 98,96 2.657,08
Total = 35.553,43
Então:
Qinf / (Lcolector x P) = 16.091,47 / 35.553,43 Qinf / (Lcolector x P) = 0,453 m3/dia/(cm.km)
O valor de 0,453 m3/dia/(cm.km) indica o caudal médio de infiltração em função da área de
parede do colector exposta a possíveis infiltrações.
Segundo o Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de
Drenagem de Águas Residuais (RGSPPDADAR), Decreto Regulamentar nº 23/95, no seu
artigo nº 126, o valor do caudal de infiltração pode considerar-se “Proporcional ao
comprimento e diâmetro dos colectores, nas redes de médios e grandes aglomerados; neste
último caso, quando se trate de colectores recentes ou a construir, podem estimar-se valores
do caudal de infiltração da ordem de 0,500 m3/dia, por centímetro de diâmetro e por
quilómetro de comprimento da rede pública, podendo atingir-se valores de 4 m3/dia, por
centímetro e por quilómetro, em colectores de precária construção e conservação” (MOPTC,
1995)
Assim:
Qinf / (Lcolector x diâmetro) = 16.091,47 / ((456,45*20) + (53,70*25) + (26,85*31,5))
Qinf / (Lcolector x diâmetro) = 1,42 m3/dia/(cm.km)
O valor 1,42 m3/dia/(cm.km) encontra-se dentro do intervalo indicado pelo regulamento (0,5 a
4 m3/dia/(cm.km)).
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 87
5.3.2 ETAR da Zona Urbana
É com base nos dados relativos à rede que drena para a ETAR da Zona Urbana que é possível
calcular alguns dos indicadores de desempenho abordados no Capítulo 4.
Os dados da rede que drena para a ETAR da Zona Urbana são:
Comprimento total de colectores = 142 km;
Número de câmaras de visita = 4.238;
Material da rede à entrada da ETAR: PEAD PE80 PN4;
Inclinação da rede à entrada da ETAR: 0,2%;
Diâmetro da rede à entrada da ETAR: DN 710 mm;
Diâmetro ao longo de praticamente todo o sistema: Φ200 mm.
5.3.2.1 Indicadores de desempenho propostos pela ERSAR
Os dados fornecidos sobre rede que drena para a ETAR da Zona Urbana apenas permitem
determinar os indicadores operacionais, tal como acontecia para a ETAR do Choupal.
Os indicadores operacionais propostos pela ERSAR são:
wOp30 – refere-se à infiltração/exfiltração e ligações indevidas (%);
wOp31 – refere-se a ligações indevidas (m3/km/ano);
wOp32 – refere-se à infiltração (m3/km/ano).
O raciocínio utilizado para o cálculo destes indicadores é idêntico ao utilizado anteriormente
para a ETAR do Choupal.
Seguidamente são apresentados os valores de cada uma das variáveis necessárias para o
cálculo dos indicadores operacionais. Os valores indicados seguidamente para cada uma das
variáveis têm por base os mesmos motivos apresentados anteriormente para a ETAR do
Choupal.
Estudo de Caso
88
As variáveis envolvidas no cálculo dos indicadores operacionais são:
wD35 – Volume de água de ligações indevidas (m3);
Pelo facto de não existir informação relativa apenas ao volume de ligações indevidas
considera-se que este é igual ao volume anual de infiltrações directas sendo assim igual a
566.234 m3.
wD36 – Volume de água infiltrada (m3);
Uma vez que a água infiltrada consiste na entrada de águas subterrâneas no sistema de
drenagem de águas residuais, esta considera-se igual ao volume anual de infiltrações
indirectas tomando assim o valor de 337.854 m3.
wD37 – Volume de água exfiltrada (m3);
Uma vez que não se dispõe de informação relativa ao volume de água exfiltrada, considera-se
que este toma um valor nulo.
wF1 – Águas residuais colectadas (m3);
O volume de águas residuais colectadas assume-se igual ao volume anual de água residual
com infiltrações indirectas sendo igual a 2.246.925 m3, uma vez que, entende-se por água
residual colectada toda a água residual doméstica e/ou industrial, transportada através da rede
de colectores em tempo seco (não inclui a água pluvial resultante de tempo de chuva).
wC1 – Comprimento total da rede de colectores (km);
O comprimento total da rede de colectores é igual a 142 km.
wH1 – Duração do período de referência (dia).
No respectivo estudo o período de referência é de 1 ano, ou seja, 365 dias.
Então:
wOp30 = (wD35 + wD36 – wD37) / (wF1 + wD35 + wD36 – wD37) x 100
(5.4)
Substituindo cada uma das variáveis pelos valores apresentados anteriormente obtém-se
wOp30 igual a 28,69%.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 89
wOp31 = (wD35 x 365 / wH1) / wC1 (5.5)
Substituindo, obtém-se wOp31 igual a 3.987,56 m3/km/ano.
wOp32 = (wD36 x 365 / wH1) / wC1 (5.6)
Substituindo, obtém-se wOp32 igual a 2.379,25 m3/km/ano.
5.3.2.2 Outros indicadores
Tal como para a ETAR do Choupal também para a ETAR da Zona Urbana são determinados
os seguintes indicadores:
Qinf / Qsc (%);
Qinf / Qmts (%);
Qinf / nº Cvisita (m3/s);
Qinf / (Lcolector x P) (m3/dia/(cm.km)).
Assim:
Qinf / Qsc (%)
O Qsc representa o valor do caudal de secção cheia do colector o qual pode ser determinado
através da fórmula de Manning-Strickler:
(5.7)
em que:
– caudal escoado (m3/s);
– área da secção do escoamento ou área molhada (m2);
Sabendo que o diâmetro externo é igual a 710 mm, então o diâmetro interno é igual a 710 – (2
espessura).
Estudo de Caso
90
O material da rede à entrada da ETAR da Zona Urbana é PEAD PE80 PN4. Por análise das
tabelas deste mesmo material sabe-se que a espessura é de 21,8 mm.
Então o diâmetro interno é de 666,4 mm, ou seja, 0,6664 m.
Assim a área é igual:
0,349 m
2 (5.8)
– coeficiente de rugosidade (m1/3
/s);
Em função do material, PEAD PE80 PN4, o coeficiente de rugosidade é igual a 90 m1/3
/s.
– inclinação do colector;
A inclinação da rede à entrada da ETAR é de 0,2%.
=A/Pw – raio hidráulico - quociente entre a área molhada e o perímetro molhado
(m).
ou seja:
0,349 m2;
2,094 m.
Então:
=A/Pw (5.9)
= 0,349/2,094 = 0,167 m
Assim, substituindo na fórmula de Manning-Strickler obtém-se:
m3/s
Assume-se que o caudal de infiltração (Qinf) é igual ao caudal de infiltração total, isto é, à
soma do caudal de infiltração indirecta com o caudal de infiltração directa.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 91
Assim:
Qinf = 337.854 + 566.234 = 904.088 m3/ano = 2.476,95 m
3/dia = 0,02867 m
3/s
Então:
Qinf / Qsc = 0,02867/ Qinf / Qsc = 6,73%
O valor de 6,73% indica a percentagem do caudal de infiltração relativamente ao valor do
caudal de secção cheia do colector, que representa a sua capacidade.
Qinf / Qmts (%)
O Qmts representa o valor do caudal médio diário em tempo seco. Este é obtido pelo quociente
entre o volume de água residual com infiltrações indirectas (volume de água residual +
volume de infiltração indirecta) e o período de tempo considerado no estudo, ou seja:
Qmts = 2.246.925 m3/ano / 365 dias Qmts = 6.155,96 m
3/dia
No cálculo do caudal médio diário em tempo seco (Qmts) incluiu-se o caudal de infiltração
indirecta.
Assume-se que o caudal de infiltração (Qinf) é igual à soma do caudal de infiltração indirecta
com o caudal de infiltração directa.
Assim:
Qinf = 337.854 + 566.234 = 904.088 m3/ano = 2.476,95 m
3/dia
Então:
Qinf / Qmts = 2.476,95/6.155,96 Qinf / Qmts = 40,24%
O valor de 40,24% indica a percentagem de caudal de infiltração relativamente ao caudal
médio diário de tempo seco.
Qinf / nº Cvisita (m3/s)
O nº Cvisita representa o número de câmaras de visita, sendo igual a 4.238.
Uma vez que não se dispõe de informação relativa unicamente ao caudal de infiltração que
passa pelas câmaras de visita, calculou-se este indicador com base no caudal de infiltração
total. Assim, assume-se que o caudal de infiltração (Qinf) é igual à soma do caudal de
infiltração indirecta com o caudal de infiltração directa.
Estudo de Caso
92
Assim:
Qinf = 337.854 + 566.234 = 904.088 m3/ano = 2.476,95 m
3/dia = 0,02867 m
3/s
Então:
Qinf / nº Cvisita = 0,0286 / 4.238 Qinf / nº Cvisita = 0,000007 m3/s
O valor de 0,000007 m3/s representa o caudal médio de infiltração por câmara de visita.
Qinf / (Lcolector x P) (m3/dia/(cm.km))
Assume-se que o caudal de infiltração (Qinf) é igual ao total do caudal de infiltração, ou seja, à
soma do caudal de infiltração indirecta com o caudal de infiltração directa.
Assim:
Qinf = 337.854 + 566.234 = 904.088 m3/ano = 2.476,95 m
3/dia
O Lcolector representa o comprimento do colector (km) sendo igual a 142 km e P refere-se ao
perímetro (cm).
Então:
Qinf / (Lcolector x P) = 2.476,95 / (142*62,83) Qinf / (Lcolector x P) = 0,278 m3/dia/(cm.km)
O valor de 0,278 m3/dia/(cm.km) indica o caudal médio de infiltração em função da área de
parede do colector exposta a possíveis infiltrações.
Segundo o Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de
Drenagem de Águas Residuais (RGSPPDADAR) Decreto Regulamentar nº 23/95, no seu
artigo nº 126 (MOPTC, 1995):
Qinf / (Lcolector x diâmetro) = 2.476,95 / (142*20)
Qinf / (Lcolector x diâmetro) = 0,87 m3/dia/(cm.km)
O valor 0,87 m3/dia/(cm.km) encontra-se dentro do intervalo indicado pelo regulamento (0,5 a
4 m3/dia/(cm.km)), tal como acontecia para a ETAR do Choupal.
Estudo de Caso CAPÍTULO 5
Ana Filipa Mota Mortinho 93
5.3.3 Análise comparativa
O Quadro 5.7 apresenta os valores dos indicadores operacionais segundo a ERSAR e o
Quadro 5.8 os valores obtidos para os outros indicadores de desempenho, para a ETAR do
Choupal e da Zona Urbana.
Quadro 5. 7 - Síntese dos valores obtidos para os indicadores de desempenho segundo a
ERSAR
Indicadores de desempenho
(ERSAR) ETAR do Choupal ETAR da Zona Urbana
wOp30 (%) 41,24 28,69
wOp31 (m3/km/ano) 6.809,23 3.987,56
wOp32 (m3/km/ano) 4.128,17 2.379,25
Quadro 5. 8 - Síntese dos valores obtidos para os outros indicadores de desempenho
Outros indicadores de
desempenho ETAR do Choupal ETAR da Zona Urbana
Qinf / Qsc (%) - 6,73
Qinf / Qmts (%) 70,19 40,24
Qinf / nº Cvisita (m3/s) 0,000011 0,000007
Qinf / (LcolectorxP)
(m3/dia/(cm.km))
0,453 0,278
Por análise do Quadro 5.7 é possível verificar que os valores obtidos para os indicadores de
desempenho da ETAR da Zona Urbana tomam valores mais baixos em comparação com os
valores obtidos para os indicadores de desempenho da ETAR do Choupal.
Este resultado deve-se ao facto de tanto a dimensão da rede (câmaras de visita e comprimento
de colectores) como o volume de infiltrações (quer de origem directa quer de origem
indirecta) da ETAR da Zona Urbana tomarem valores mais baixos que os da ETAR do
Choupal.
Estudo de Caso
94
Assim, é a ETAR da Zona Urbana a que apresenta um melhor desempenho, pois, tal como
analisado no Quadro 5.7, os indicadores operacionais apresentam menores valores.
O mesmo acontece com os outros indicadores de desempenho apresentados no Quadro 5.8.
São também os indicadores calculados para a ETAR da Zona Urbana os que apresentam
menores valores, revelando um melhor desempenho.
CAPÍTULO 6
Ana Filipa Mota Mortinho 95
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Tradicionalmente, a problemática da afluência de caudais de infiltração aos sistemas de
drenagem de águas residuais domésticas/industriais não tem sido considerada como
prioritária. No entanto, o desempenho dos sistemas de drenagem, quer ao nível da sua
eficiência quer ao nível da sua eficácia, vai sendo afectado devido a vários aspectos, tais como
o envelhecimento e deterioração das componentes do sistema, o que conduz a um aumento
significativo dos volumes infiltrados. O aumento significativo da afluência de caudais de
infiltração aos sistemas de drenagem são uma das principais causas da diminuição do seu
desempenho, atingindo os vários aspectos hidráulico, sanitário, ambiental, estrutural e sócio-
económico. As principais consequências destas afluências, quando atingem valores
significativos, são o aumento dos custos de operação, manutenção e, eventualmente, de
investimento, quer em sistemas de drenagem, quer em estações de tratamento de águas
residuais, e a redução da capacidade útil de transporte e tratamento de águas residuais, que
contribui para a ocorrência de inundações, maiores descargas e, consequentemente, poluição
dos solos e meios hídricos. Deste modo, o aumento dos custos operacionais e a influência no
aspecto hidráulico-sanitário conduziu a que várias entidades gestoras dos sistemas de
drenagem de águas residuais analisassem a problemática das infiltrações em sistemas de
drenagem com o objectivo da sua quantificação e redução.
O presente trabalho teve como principal objectivo apresentar um estudo bibliográfico sobre a
afluência de caudais de infiltração em sistemas de drenagem de águas residuais, realizar uma
pesquisa sobre os métodos que permitem estimar esses mesmos caudais, adquirir
conhecimentos sobre os indicadores de desempenho que permitem avaliar o desempenho do
sistema de drenagem no que respeita aos caudais de infiltração e, por fim, aplicar alguns dos
métodos abordados bem como os diversos indicadores de desempenho a dois sistemas de
drenagem reais.
Deste modo, numa primeira fase foram utilizados dois dos métodos abordados (método do
mínimo móvel e método do triângulo) para estimar os caudais de infiltração. O estudo foi
realizado para duas estações de tratamento de águas residuais, nomeadamente, a ETAR do
Choupal em Coimbra e a ETAR da Zona Urbana na Figueira da Foz.
A percentagem total de infiltrações obtida por aplicação do método do mínimo móvel e por
aplicação do método do triângulo para a ETAR do Choupal é de 48,85% e para a ETAR da
Zona Urbana é de 32,14%. Assim, ao efectuar uma análise comparativa entre a percentagem
total de infiltrações obtida para ETAR do Choupal e para a ETAR da Zona Urbana é possível
concluir que a percentagem total de infiltrações na ETAR do Choupal é superior à
percentagem total de infiltrações na ETAR da Zona Urbana. Este facto é facilmente explicado
uma vez que a ETAR do Choupal recebe água residual da zona Norte do Concelho de
Coimbra, da zona Urbana (centro) e de uma parte da zona Sul, isto é, existe uma grande
extensão da rede, o que tem como consequência uma maior ocorrência de infiltrações. Outro
aspecto importante é o facto da maior parte da rede que drena para a ETAR do Choupal ser do
Considerações Finais
96
tipo unitário, assim como o facto da respectiva ETAR se encontrar muito próxima do Rio
Mondego.
Numa segunda fase foi avaliado o desempenho técnico do sistema de drenagem relativamente
à infiltração. Assim, é possível concluir, pelos valores obtidos para cada um dos indicadores
de desempenho, que é a rede da ETAR da Zona Urbana a que apresenta um melhor
desempenho em comparação com a rede da ETAR do Choupal. A rede da ETAR da Zona
Urbana apresenta um melhor desempenho uma vez que o volume de infiltrações obtido (quer
de origem directa quer de origem indirecta) toma valores mais baixos em comparação com o
volume de infiltrações (quer de origem directa quer de origem indirecta) obtido para a rede da
ETAR do Choupal, tendo assim como consequência um melhor desempenho.
De uma forma geral, é possível concluir que os objectivos foram atingidos, e que este trabalho
deu uma contribuição importante para caracterização das infiltrações nos sistemas de
drenagem de águas residuais do nosso país, sensibilizando para o facto de estas afectarem
fortemente o bom desempenho dos sistemas de drenagem de águas residuais.
Referências Bibliográficas
Ana Filipa Mota Mortinho 97
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Almeida, S., e Monteiro, P. (2004). “Incidência de caudais de águas pluviais em redes de
drenagem de águas residuais - Dois casos de estudo em municípios do Norte de Portugal”,
Actas do 7º Congresso da Água, Associação Portuguesa dos Recursos Hídricos.
Amorim, H. (2007). Afluências indevidas aos sistemas de drenagem de águas residuais. Tese
de Mestrado em Engenharia do Ambiente do Departamento de Engenharia Civil da
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto.
APDA (2005). ETAR da Figueira da Foz trata efluentes de 35 mil pessoas. Associação
Portuguesa de Distriuibuição e Drenagem de Águas. Obtido de
www.apda.pt/pt/noticia/441/etar-da-figueira-da-foz-trata-efluentes-de-35-mil-pessoas/
(consultado em Agosto de 2011).
Baptista, J., Pássaro, D., e Pires, J. (2007). Facturação de serviços em "alta" de saneamento
de águas residuais urbanas em sistemas com contribuição de águas pluviais,
Recomendação nº 04/2007, Instituto Regulador de Águas e Resíduos.
Belhadj, N., Joannis, C., e Raimbault, G. (1995). “Modelling of rainfall induced infiltration
into separate sewerage”. Water Science and Technology, 32 (1), pp. 161-168.
Cardoso, A., Almeida, M., e Coelho, T. (s.d.). Avaliação do impacto da infiltração no
desempenho de sistemas de drenagem urbana. Lisboa. Obtido de http://apuss.insa-
lyon.fr/nrl_010_evaluation_of_the_infiltration_impact_on_the_perfomance_of_urban_se
wer_systems.pdf (consultado em Agosto de 2011).
Cardoso, M.A., Bertrand-Krajewski, J.-L., Ellis, B., Frehmann, T., Giulianelli, M., Gujer, W.,
Krebs, P., Pliska, Z., Pollert, J., e Pryl, K. (2005). “Melhorar o conhecimento e a gestão da
infiltração e da exfiltração em sistemas de drenagem urbana: O projecto APUSS”,
Proceedings of the 10th
ICUD - International Conference on Urban Drainage,
Copenhaga, Dinamarca.
Coelho, S., e Alegre, A.(1999) Indicadores de desempenho de sistemas de saneamento
básico. Informação Técnica de Hidráulica ITH 40, LNEC, Lisboa.
Cohen, B., Rozelman, S., e Ryan, T. (1998). Removing extraneous flow in New York city – A
systematic approach yielding results. ADS Corporation, Nova Iorque.
Concordma (s.d.). The satus of municipal wasterwater treatment in concord, MA. Obtido de
http://www.concordma.gov/pages/ConcordMA_PublicWorks/infiltration.pdf (consultado
em Agosto de 2011).
CRD (s.d.).Core area inflow & infiltration program – Progress report. Obtido de
http://www.crd.bc.ca/wastewater/ii/documents/InflowInfiltration_ExecutiveSummary.pdf
(consultado em Agosto de 2011).
Referências Bibliográficas
98
De Bénédittis, J., e Bertrand-Krajewski, J.-L. (2004). “Infiltration in sewer systems:
comparison of measurement methods”, Proceedings of the 4th
International Conference
on Sewer Processes and Networks, Madeira, Portugal, pp. 301-308.
Ellis, J. B. (2001). “Sewer infiltration/exfiltration and interactions with sewer flows and
groundwater quality”, In Anais da 2nd
Int. Conf. Interactions Between Sewers, Treatment
Plants and Receiving Waters in Urban Areas - INTERURBA II, Lisboa.
Franz, T. (2007). Spatial classification methods for efficient infiltration measurements and
transfer of measuring results. Tese de Doutoramento, Institut fur Siedlungs - und
Industriewasserwirtschaft Technische Universitat Dresden, Dresden.
Gamboa, M., Almeida, M. C., Matos, M. R., e Matos, J. S. (2000). Controlo da descarga de
excedentes no sistema de saneamento da Costa do Estoril – Diagnóstico e formulação de
recomendações estratégicas. 1º Relatório de Progresso - Caracterização e diagnóstico da
situação actual, LNEC 324/00-NES, Lisboa.
Google (s.d.).Obtido de Google earth. http://www.google.pt/ (consultado em Agosto de 2011).
Hager, W. H., Bretscher, U., e Raymann, B. (1985). “Methoden zur indirekten
fremdwasserermittlung in abwassersystemen” (Methods for indirect determination of
extraneous water in waste water systems), Gas-Wasser-Abwasser, 64 (7), pp. 450-461.
Herz, R. (1996). "Dégradation et renouvellement des infrastructures - un modèle de survie par
cohorte", (Degradation and rehabilitation of infrastructure – a cohort survival model).
FLUX, 23, pp. 21-36.
Kracht, O. e Gujer, W. (2005). “Quantification of infiltration into sewers based on time series
of pollutant loads”, Water Science and Technology, 52(3), pp. 209-218.
Marques, J., e Sousa, J. (2008). Hidráulica urbana - Sistemas de abastecimento de água e de
drenagem de águas residuais. Imprensa da Universidade de Coimbra, Coimbra.
Matos, R., Cardoso, A., Duarte, P., Neves, E., e Rodrigues, R. (2004). Indicadores de
desempenho para serviços de águas residuais. Instituto Regulador de Águas e Resíduos,
Lisboa.
Metcalf & Eddy (Eds.) (1991) – Wastewater engineering: treatment, disposal, reuse.
McGraw-Hill International Editions, Civil Engineering Series.
MOPTC (1995). Decreto Regulamentar nº 23/95, de 25 de Agosto. RGSPPDADAR –
Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de
Drenagem de Águas Residuais.
Müller, K. e Dohmann, M. (2002). Entwicklung eines allgemein anwendbaren verfahrens zur
selektiven erstinspektion von abwasserkanälen und anschlussleitungen. (Development of
a generally applicable procedure for the selective initial inspection of wastewater systems
and domestic connections), Final Report, Aachen.
Referências Bibliográficas
Ana Filipa Mota Mortinho 99
Princ, I., e Kohout, D. (2003). “Infiltration and exfiltration from house connections”,
Proceedings of the conference Water Management Task 2003, Spindleruv Mlyn,
República Checa, pp. 60-63.
Sousa, J. (2009). Apontamentos de Hidráulica Aplicada II. Instituto Superior de Engenharia
de Coimbra, Coimbra.
Stevens, P. L. (1998). Infiltration/inflow “rules of thumb”. ADS Corporation.
White, J., e Johnson, H. (1996). Control of infiltration to sewers. CIRIA Project Report for
RP501, London.
White, M., Johnson, H., Anderson, G., e Misstear, B. (1997). Control of infiltration to sewers.
Report 175, CIRIA,UK.
York (s.d.). York region and municipal inflow and infiltration reduction program. Obtido de
http://www.york.ca/NR/rdonlyres/4p3dvm55t6azajlshxtebt7lf25fncljqfb3lzpinx3ksmqz76
ljoni2ms4jazpfesze64fg6mes2tealkifvtshhf/Inflow+and+Infiltration+Reduction+Program.
pdf (consultado em Agosto de 2011).
Referências Bibliográficas
100