Fontes de contaminação em sedimentos de tanques de retenção e a influência do tipo de precipitação no tamanho da carga poluente

Dec 11, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8884 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O adensamento das cidades e da população urbana contribui para o aumento do escoamento e dos sólidos em suspensão e alteração do ciclo hidrológico urbano. Atualmente, a Infraestrutura Azul-Verde é promovida para aumentar a resiliência de uma cidade às inundações; no entanto, os sistemas de drenagem de águas pluviais, apoiados em tanques de retenção, ainda são importantes na proteção de áreas urbanas contra inundações. O acúmulo de sedimentos na infraestrutura de águas pluviais está relacionado a uma questão de poluentes como metais pesados, nutrientes etc. Este é o primeiro estudo focado na análise de isótopos estáveis ​​de carbono e nitrogênio em sedimentos de fundo coletados em tanques de retenção municipais para verificar a origem dos poluentes depositados imediatamente após as enchentes pluviais. A pesquisa foi estendida adicionalmente com análises da qualidade da água imediatamente após três tipos de clima: um período seco, precipitação típica (< 30 mm) e chuvas torrenciais (2 eventos com precipitação diária acima de 30 mm que causaram inundações pluviais da área da cidade). Análises de sedimentos indicaram que a principal fonte de carbono e nitrogênio no fundo dos tanques de retenção foi trazida pelo escoamento de águas pluviais da área da cidade. Os fertilizantes nitrogenados orgânicos pareciam ser a principal fonte de nitrogênio, enquanto as fontes de carbono orgânico eram mistas: plantas terrestres C3, madeira e óleo. Além disso, verificou-se que chuvas torrenciais causaram um aumento de 23 vezes na concentração de N-NO3, um aumento de sete vezes na concentração de P-PO4 e um aumento de mais de cinco vezes na concentração de matéria orgânica, em comparação com a precipitação típica.

A urbanização contribui para o aumento da quantidade de sólidos em suspensão que escoam para as águas. O resultado é um suprimento adicional de nutrientes, matéria orgânica, pesticidas e outros poluentes que causam a degradação dos sistemas de água doce em todo o mundo. A entrada de sólidos em suspensão também contribui para o aumento da turbidez, reduz a penetração da luz nas camadas mais profundas dos cursos d'água e reservatórios, além de afetar a morfologia dos canais e infraestrutura hídrica. Segundo Walling e Collins1, o transporte de nutrientes com sedimentos e a contaminação por suspensão são as maiores ameaças à água doce, por ser vetor de outros poluentes (metais pesados, microplásticos, produtos farmacêuticos). Além disso, a maioria dos cenários de mudanças climáticas prevê um aumento irreversível da erosão do solo, acompanhado de uma mudança relevante nos padrões de chuva2.

As soluções que protegem áreas urbanas contra inundações são divididas em retenção e infiltração e são denominadas de Infraestrutura Verde3. Hoje em dia, a forma mais eficaz de gestão de águas pluviais e proteção da cidade contra inundações pluviais é uma proteção em vários níveis. O primeiro nível é uma estratégia de infraestrutura azul e verde (como jardins de chuva, telhados verdes etc.), contribuindo para a limitação do escoamento e possível acúmulo de água na captação para facilitar a infiltração ou reutilização de águas pluviais no local de origem. Segundo essa concepção, os tanques de retenção representam o segundo nível de proteção. Para além da proteção contra cheias em caso de chuvas torrenciais de curta duração, permitem constituir uma fonte alternativa de água para melhorar a fiabilidade e segurança do abastecimento de água (incluindo os processos de tratamento)4,5, e servir como zonas recreativas; assim, podem fornecer vários serviços ecossistêmicos, dependendo de seu tamanho, localização e necessidades sociais.

Uma limitação importante dos tanques de retenção, no que diz respeito à proteção contra inundações, é o fato de terem um efeito bastante limitado nos picos de vazão durante chuvas prolongadas. Essa limitação ocorre quando os reservatórios enchem completamente durante as chuvas e não assumem a vazão nas chuvas posteriores. Nessas ocasiões, eles também se tornam propensos a falhas, resultando em um escoamento descontrolado da água da enchente. As análises hidrológicas, principalmente voltadas para o cálculo da capacidade de retenção de reservatórios e controle de enchimento, já foram extensamente descritas na literatura. Esses trabalhos foram baseados em modelos SWMM unidimensionais6,7,8 e CADDIES9 bidimensionais, ou em um modelo SWAT mais extenso10, que já tiveram resultados satisfatórios na previsão de ameaças11,12. A maior parte das pesquisas com foco em reservatórios, no entanto, trata apenas da retenção de água, esquecendo-se dos poluentes transportados pelas águas pluviais. A água que entra contém sólidos suspensos que são um vetor para, entre outros, metais pesados, compostos de fósforo e PAHs, que afundam no fundo dos tanques, causando o acúmulo de sólidos13,14. Numerosos processos ocorrem no limite da água do sedimento, incluindo sedimentação, ressuspensão e deposição de sedimentos de fundo, que foram discutidos em detalhes por Lu et al.15 e Nawrot et al.16. Vários estudos referem-se a análises de sedimentos e/ou qualidade da água de cursos d'água urbanos e reservatórios de retenção16,17,18,19. Embora o processo dominante seja a sedimentação (em condições normais de fluxo), ainda assim os poluentes depositados nos sedimentos podem representar um risco de recontaminação quando ocorre a ressuspensão, por exemplo durante os episódios de inundação20,21. Cada um desses aspectos foi descrito separadamente; no entanto, faltam estudos abrangentes que abranjam todos os aspectos acima. Amundson et al.22 observaram que as mudanças no uso do solo e na antropopressão contribuem para o aumento dos processos erosivos e, portanto, para o aumento das cargas de sólidos em suspensão. A busca por métodos para verificar a origem dos contaminantes acumulados nos sedimentos de fundo tem sido realizada por meio de diversos métodos de identificação de sedimentos. Por muitos anos, métodos relacionados à pesquisa geoquímica ou pesquisa de radionuclídeos radioativos - e até mesmo uma combinação dos dois - foram amplamente utilizados. No entanto, esses métodos carecem de referência à área analisada. Em contraste, a análise de isótopos é uma ferramenta útil e precisa, que aponta para a origem dos elementos selecionados. Na análise isotópica, os valores característicos referem-se a plantas C3 e C4 (são grupos de plantas dependentes do curso da fotossíntese), bem como a solos locais. Os valores próximos aos característicos indicam precisamente a origem elementar.