Impacto de Padrões Morfológicos na Concentração de Poluentes Atmosféricos: O caso da Cidade do Rio de Janeiro

UFF - UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

JULIANA LÚCIO MOTTA MAIA

IMPACTO DE PADRÕES MORFOLÓGICOS NA CONCENTRAÇÃO DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS: O CASO DA CIDADE DO RIO DE JANEIRO

NITERÓI, 2016

UFF - UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

JULIANA LÚCIO MOTTA MAIA

IMPACTO DE PADRÕES MORFOLÓGICOS NA CONCENTRAÇÃO DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS: O CASO DA CIDADE DO RIO DE JANEIRO

Dissertação de mestrado apresentada à Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para a obtenção do grau Mestre em Arquitetura e Urbanismo.

ORIENTADOR: Prof. Dr. Vinicius M. Netto

NITERÓI, 2016

JULIANA LÚCIO MOTTA MAIA IMPACTO DE PADRÕES MORFOLÓGICOS NA CONCENTRAÇÃO DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS: O CASO DA CIDADE DO RIO DE JANEIRO Dissertação de mestrado apresentada à Universidade Federal Fluminense como requisito parcial para a obtenção do grau Mestre em Arquitetura e Urbanismo.

APROVADA EM 11 DE ABRIL DE 2016.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Vinicius de Moraes Netto Professora adjunta - Departamento de Geografia da Universidade Feral Fluminense (UFF)

Prof. Rita de Cássia Martins Montezuma Professora adjunta - Departamento de Geografia da Universidade Feral Fluminense (UFF)

Prof. José Francisco de Oliveira Júnior Professor Adjunto III no Instituto de Floresta - Departamento de Ciências Ambientais da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ)

Prof.Vera ReginaTângari Professora Associada da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)

NITERÓI, 2016

A todos aqueles que acreditam no poder transformador do conhecimento. Que ele sempre nos impulsione e nos ajude a encontrar caminhos.

AGRADECIMENTOS A meus pais e irmã que, sempre me incentivaram nos caminhos do conhecimento, dando todo o suporte físico, material e emocional necessário. Sua presença constante é a base de toda a minha estrutura. A meu marido que, esteve durante todo o tempo do meu lado, me ajudando desde o debate de ideias até a revisão do texto, me apoiando nos momentos mais difíceis e sendo infinitamente compreensivo com os momentos de redação e introspecção. Seu carinho e parceria são o motor da caminhada. Aos meus amigos e família, que sempre me escutam e ajudam a tornar o dia a dia mais leve e divertido. Ao prof. Vinicius M Netto, que me orientou nesses dois anos, me ajudando nos primeiros passos como pesquisadora, e sempre me incentivou a alçar voos mais altos. Aos professores Rita Montezuma, José Francisco de Oliveira Júnior, Patrícia Drach e Vera Tângari, que estiveram nas bancas e contribuíram para a elaboração e conclusão do trabalho. A Givanildo de Gois e todos do grupo de pesquisa “Efeitos da Arquitetura”, que me assessoraram na elaboração das análises estatísticas. Ao grupo de pesquisa SEL da FAU-UFRJ, coordenado pela professora Vera Tângari, e ao grupo de pesquisa “Efeitos da Arquitetura”, coordenado pelo professor Vinicius Netto, que cederam seus bancos de dados morfológicos da cidade do Rio de Janeiro.

Aos técnicos Norma Patrocinio, do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), Renato Vieira, do Instituto Estadual do Ambiente (INEA), e Bruno Bôscaro França, da Secretaria Municipal de Meio Ambiente (SMAC), que gentilmente me ajudaram fornecendo os dados meteorológicos e todas as informações necessárias dos institutos.

RESUMO Considerando a importância das cidades como fontes emissoras de contaminantes e centros de grande aglutinação populacional, o trabalho investiga possíveis impactos da forma urbana nas concentrações de poluentes. Essencialmente, a hipótese do estudo sugere que diferenças de padrões morfológicos, (i) referentes à taxa de ocupação e percentagem de verticalização, usualmente associados a fatores do comportamento social, como o intenso uso de veículos particulares; (ii) em interação com elementos climáticos, como a temperatura, a chuva e ventos; e (iii) a posição geográfica em relação ao relevo, fontes emissoras e elementos urbanos, poderão impactar na concentração de poluentes e a qualidade do ar. Tendo em vista que esta é uma área ainda incipiente dos estudos urbanos, a pesquisa buscou uma abordagem panorâmica do problema que pudesse indicar o potencial do campo e abrir novas discussões através de uma revisão teórica e um estudo de caso na cidade do Rio de Janeiro (CRJ). A investigação discute o estado da arte sobre as interações entre a poluição, elementos naturais e condições climáticas; apresenta seus efeitos e aponta para uma carência de investigações empíricas que identifiquem, com precisão, possíveis influências de aspectos da forma urbana nos níveis de poluição. Revisa, então, indicadores de estudos da forma urbana no que se refere a sua precisão de análise do desempenho ambiental. Observando uma tendência de redução da forma à sua densidade e bidimensionalidade, é proposto um indicador de compacidade 3D. Esse indicador é testado e comparado com variáveis envolvidas no problema da descrição da forma, onde se identifica uma proxy sua, também capaz de representar a compacidade da forma urbana com bom grau de precisão.

Tendo chegado a um indicador da forma, a pesquisa se aproxima do objeto de estudo e expõe, de maneira crítica, o tratamento da questão da qualidade do ar na CRJ. Por fim, é apresentado o estudo de caso, que testa a hipótese através de métodos estatísticos aplicados aos dados de concentração de poluentes (Dióxido de enxofre - SO2, Monóxido de Carbono - CO e Partículas Inaláveis - PI), morfologia (taxa de ocupação e percentagem de verticalização) e climatologia (vento – direção e velocidade -, precipitação pluvial e temperatura do ar). Para garantir a maior variabilidade dos dados e a melhor consistência dos resultados possível, foram envolvidas todas as estações meteorológicas com dados disponíveis na cidade (16 estações). Entre outros achados, o trabalho conclui, que os aspectos de percentual de verticalização e taxa de ocupação são relevantes na concentração dos poluentes nos casos estudados e verifica que, em alguns casos, esses fatores apresentam correlações mais altas com os poluentes do que aspectos ambientais. Dentre as variáveis consideradas, esses dois fatores foram, por vezes, os únicos capazes de explicar a concentração dos contaminantes. Ressalta-se ainda a urgência de pesquisas no campo que contribuam com mais indícios que possam auxiliar na elaboração de políticas públicas e legislações urbanas que ajudem a melhorar a qualidade do ar nas cidades. Palavras-chave: morfologia; poluição; desempenho urbano; qualidade do ar.

ABSTRACT Considering the importance of cities as pollutant sources and hubs of population, the work looks into possible impacts of the urban form on pollutants concentrations. The study`s hypothesis suggests that differences on morphology patterns, regarding ground space index and percentage of verticalization, (i) usually associated with factors of social behavior, as the use intensity of private cars, (ii) in interaction with climate variables, as the temperature, rainfall and wind regime; and (iii) geographical situation in relation to the relief, emission sources and urban elements, could impact on the concentration of pollutants and air quality. In view of the incipient state of this area in Urban Studies, the research chose a panoramic view of the problem, which was capable of indicating the field`s potential and to open new discussions through a literature review and a case study in Rio de Janeiro city (RJC). The research discusses the state of art of interactions between pollutants, natural elements and climatic conditions; presents its effects and points to a lack of empirical investigations able to identify, precisely, possible influences of the urban form aspects in pollution levels. Then, it reviews urban form studies indicators in what refers to its precision in evaluating environmental performance. Observing a trend to reduce the form to its density and bidimensionality, it`s proposed a 3D compacity indicator. This factor is tested and compared to variables involved in the description of the form`s problem. This confront reveals a proxy of the 3D compacity, which is also capable of representing, precisely, the complexities of the form.

Getting to this element, the investigation approaches the study object and exposes, in a critical manner, the treatment of air quality in RJC. Finally, it’s presented a case study in RJC involving statistical methods applied to pollutants (SO2, CO e PI), morphological aspects (ground space index and percentage of verticalization) and climatic variables (wind – direction and speed, rainfall and air temperature). To ensure the greatest variability of data and the best consistency of results possible, it has been involved all the meteorological stations with available data (16 stations). Beyond another findings, the work concludes that the ground space index and the percentage of verticalization are relevant in pollutants concentration in the studied cases and verifies that, in some cases, these factors have higher correlations with pollutants than environmental aspects, being, sometimes, the only considered variables capable of explaining contaminants` concentration. It`s finally highlighted the urgency of researches in the field which can contribute with more indications to help building new public politics and urban legislation able to improve cities` air quality. Key-words: morphology; pollution; urban performance; air quality.

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Hipótese das relações entre fatores espaciais, comportamentais, climáticos e qualidade do ar. ........................................................................................................................ 24 Figura 2 - Ciclo não urbano do Nitrogênio ............................................................................... 31 Figura 3 - Ciclo Urbano do Nitrogênio ..................................................................................... 32 Figura 4 - O ciclo do carbono ................................................................................................... 35 Figura 5 - Ciclo do Enxofre ....................................................................................................... 38 Figura 6 - Comportamento do vento na cidade ....................................................................... 54 Figura 7 - Representação esquemática do perfil da temperatura da ilha de calor urbana. ... 57 Figura 8 - Domo Urbano de Poeira .......................................................................................... 58 Figura 9 - Escalas climáticas e camadas verticais sugeridas por Oke (2006). ...................... 60 Figura 10 - Custos da infraestrutura per capita ....................................................................... 78 Figura 11 - Mapa axial das principais vias do Distrito Federal, Brasil com menor polígono convexo circunscrevendo as linhas axiais. .............................................................................. 83 Figura 12 - Arquétipos de quarteirões com mesma densidade e configurações distintas. .... 84 Figura 13 – Tipos de quarteirões propostos. ........................................................................... 87 Figura 14 – Caso real Copacabana e Tijuca ........................................................................... 89 Figura 15 - Fontes Fixas e Móveis Inventariadas na RMRJ pela FEEMA (2004). ............... 100 Figura 16- Bacias aéreas da Região Metropolitana do Rio de Janeiro ................................ 103 Figura 17 - Revisão das bacias aéreas proposta por Martins et al. (2014). ......................... 106 Figura 18 - Principais regiões de vento no Rio de Janeiro segundo Pimentel et al. (2014): Oeste, Centro-Sul e Leste (pontilhado) ................................................................................. 107 Figura 19 - Parâmetros e tipos de quadras utilizados na análise. ........................................ 115 Figura 20 - Análise das variáveis com potencial de interferência na regulação da qualidade do ar. ....................................................................................................................................... 119 Figura 21 - Localização das Estações Meteorológicas do Rio de Janeiro por instituição coletora. .................................................................................................................................. 120

Figura 22 - Localização das Estações Meteorológicas com dados de poluição de interesse. ................................................................................................................................................ 121 Figura 23 - Localização das Estações Meteorológicas com dados para SO 2, CO e PI. ...... 124 Figura 24 - Densidade Demográfica - 2010 (Hab/ha) ........................................................... 135 Figura 25 - Altimetria e traçado Viário (2004) ........................................................................ 136 Figura 26 - Tecidos Urbanos, principais eixos viários e áreas preservadas ......................... 138 Figura 27 - Estações analisadas, áreas protegidas e bacias aéreas.................................... 153 Figura 28 - Bangu: Imagem aérea e mapa ............................................................................ 154 Figura 29 - Campo Grande: Imagem aérea e mapa ............................................................. 155 Figura 30 - Centro: Imagem aérea e mapa ........................................................................... 156 Figura 31 - Copacabana: Imagem aérea e mapa .................................................................. 157 Figura 32 - Ilha de Paquetá: Imagem aérea e mapa ............................................................. 158 Figura 33 - Ilha do Governador: Imagem aérea e mapa ....................................................... 159 Figura 34 - Irajá: Imagem aérea e mapa ............................................................................... 160 Figura 35 - Jacarepaguá: Imagem aérea e mapa ................................................................. 161 Figura 36 - Pedra de Guaratiba: Imagem aérea e mapa....................................................... 162 Figura 37 - Recreio: Imagem aérea e mapa .......................................................................... 163 Figura 38 - Santa Cruz - Adalgisa Nery: Imagem aérea e mapa .......................................... 164 Figura 39 - Santa Cruz - Largo do Bodegão: Imagem aérea e mapa ................................... 165 Figura 40 - São Cristóvão: Imagem aérea e mapa ............................................................... 166 Figura 41 - Taquara: Imagem aérea e mapa ......................................................................... 167 Figura 42 - Tijuca: Imagem aérea e mapa ............................................................................. 168 Figura 43 - Variação mensal da concentração média de SO2 (µg/m³) no ano de 2012. ..... 179 Figura 44 - Boxplot da concentração mensal média de SO2 (µg/m³) no ano de 2012. ....... 180 Figura 45 - Dendograma da concentração mensal média de SO2 (µg/m³) nas estações em 2012. ....................................................................................................................................... 181 Figura 46 - Variação mensal da concentração média de CO (ppm) no ano de 2012. ......... 183

Figura 47 - Boxplot da concentração mensal média de CO (ppm) no ano de 2012............. 184 Figura 48 - Dendograma da concentração mensal média de CO (ppm) nas estações em 2012. ....................................................................................................................................... 185 Figura 49 - Variação mensal da concentração média de PI (µg/m³) no ano de 2012. ......... 187 Figura 50 - Boxplot da concentração mensal média de PI (µg/m³) no ano de 2012. ........... 188 Figura 51 - Dendograma da concentração mensal média de PI (µg/m³) nas estações em 2012. ....................................................................................................................................... 189 Figura 52 - Variação mensal da concentração média de SO2 (µg/m³) no ano de 2013. ..... 194 Figura 53 - Boxplot da concentração mensal média de SO2 (µg/m³) no ano de 2013. ....... 195 Figura 54 - Dendograma da concentração mensal média de SO2 (µg/m³) nas estações em 2013. ....................................................................................................................................... 196 Figura 55 - Variação mensal da concentração média de CO (ppm) no ano de 2013. ......... 199 Figura 56 - Boxplot da concentração mensal média de CO (ppm) no ano de 2013............. 200 Figura 57 - Dendograma da concentração mensal média de CO (ppm) nas estações em 2013. ....................................................................................................................................... 201 Figura 58 - Variação mensal da concentração média de PI (µg/m³) no ano de 2013. ......... 203 Figura 59 - Boxplot da concentração mensal média de PI (µg/m³) no ano de 2013. ........... 204 Figura 60 - Dendograma da concentração mensal média de PI (µg/m³) nas estações em 2013. ....................................................................................................................................... 205 Figura 61 - Variação mensal da concentração média de SO2 (µg/m³) no ano de 2014. ..... 210 Figura 62 - Boxplot da concentração mensal média de SO2 (µg/m³) no ano de 2014. ....... 211 Figura 63 - Dendograma da concentração mensal média de SO2 (µg/m³) nas estações em 2014. ....................................................................................................................................... 212 Figura 64 - Variação mensal da concentração média de CO (ppm) no ano de 2014. ......... 215 Figura 65 - Boxplot da concentração mensal média de CO (ppm) no ano de 2014............. 216 Figura 66 - Dendograma da concentração mensal média de CO (ppm) nas estações em 2014. ....................................................................................................................................... 217

Figura 67 - Variação mensal da concentração média de PI (µg/m³) no ano de 2014. ......... 220 Figura 68 - Boxplot da concentração mensal média de PI (µg/m³) no ano de 2014. ........... 221 Figura 69 - Dendograma da concentração mensal média de PI (µg/m³) nas estações em 2014. ....................................................................................................................................... 222 Figura 70 - Variação mensal da concentração média de SO2 (µg/m³) na série histórica. ... 227 Figura 71 - Boxplot da concentração mensal média de SO2 (µg/m³) na série histórica. ...... 228 Figura 72 - Dendograma da concentração mensal média de SO 2 (µg/m³) nas estações na série histórica.......................................................................................................................... 229 Figura 74 - Boxplot da concentração mensal média de CO (ppm) na série histórica. ......... 232 Figura 75 - Dendograma da concentração mensal média de CO (ppm) nas estações na série histórica................................................................................................................................... 233 Figura 76 - Variação mensal da concentração média de PI (µg/m³)na série histórica. ........ 235 Figura 77 - Boxplot da concentração mensal média de PI (µg/m³) na série histórica. ......... 236 Figura 78 - Dendograma da concentração mensal média de PI (µg/m³) nas estações na série histórica................................................................................................................................... 237 Figura 79 - Localização das estações do INMET .................................................................. 260 Figura 80 - Típica estação meteorológica automática (INMET) ............................................ 261 Figura 81 – Localização das estações do INEA .................................................................... 262 Figura 82 - Estações Automáticas de Monitoramento da Qualidade e Meteorologia do Ar INEA........................................................................................................................................ 264 Figura 83 - Localização das estações da SMAC ................................................................... 266 Figura 84 - Estação Automáticas de Monitoramento da Qualidade e Meteorologia do Ar SMAC...................................................................................................................................... 267 Figura 85 - Exemplo de gráfico boxplot ................................................................................. 270 Figura 86 - Exemplo de dendograma .................................................................................... 271 Figura 87 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão SO2 2012 ..................... 277 Figura 88 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão CO 2012 ....................... 278

Figura 89 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão PI 2012 ......................... 279 Figura 90 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão SO2 2013 ...................... 280 Figura 91 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão CO 2013 ....................... 281 Figura 92 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão PI 2013 ......................... 282 Figura 93 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão SO 2 2014 ...................... 283 Figura 94 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão CO 2014 ....................... 284 Figura 95 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão PI 2014 ......................... 285 Figura 96 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão SO 2 série histórica........ 286 Figura 97 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão CO série histórica ......... 287 Figura 98 - Análise gráfica dos resíduos do modelo de regressão PI série histórica ........... 288

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Quadro geral de áreas e Índice de Compacidade 3D calculado para os tipos propostos. ................................................................................................................................. 88 Tabela 2 - Quadro geral de áreas e Índice de Compacidade 3D calculado para os casos reais .......................................................................................................................................... 89 Tabela 3 – Correlações de Pearson entre indicadores apontam seu grau de similaridade em situações reais .......................................................................................................................... 91 Tabela 4 - Padrões de Qualidade do Ar, estabelecidos pela Resolução CONAMA No. 03/1990 ..................................................................................................................................... 96 Tabela 5 - Níveis de Qualidade do Ar para elaboração de Plano de Emergência. ................ 97 Tabela 6 - Índice de Qualidade do Ar (IQAr) proposto pelo INEA .......................................... 98 Tabela 7 - Taxas de emissão por tipo de fonte na RMRJ (x 1000 t/ano) ............................. 101 Tabela 8 - Contribuição Percentual das Principais Vias de Tráfego na Emissão de Poluentes. ................................................................................................................................................ 102 Tabela 9 - Taxa de emissão de poluentes na região metropolitana do Rio de Janeiro por bacias aéreas. ........................................................................................................................ 103 Tabela 10 - Correspondência de TO e Vert. com o valor intermediário proposto. ............... 116 Tabela 11 - Parâmetros da Estação X ................................................................................... 117 Tabela 12 - Direção Resultante do Vento (graus) 2012 ........................................................ 145 Nesse ano, mas uma vez a velocidade média do vento ficou abaixo do esperado (Gráfico 9), especialmente nos meses de outono e primavera. A velocidade media anual ficou 60% abaixo do normal. Já sua direção (Tabela 13) se manteve no quadrante sul-sudeste, mas esteve mais ao sul do que o normal, especialmente nos meses de outono e inverno. ....... 146 Tabela 14 - Direção Resultante do Vento (graus) 2013 ........................................................ 147 Tabela 15 - Direção Resultante do Vento (graus) 2014 ........................................................ 149 Tabela 16 - Compilação das análises morfológicas .............................................................. 177

Tabela 17- Matriz de Correlação de Pearson (p