Avaliação Experimental de Superfícies Na Redução Do Escoamento Superficial Direto

8/18/2019 Avaliação Experimental de Superfícies Na Redução Do Escoamento Superficial Direto

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Universidade Federal de Mato Grosso

Instituto de Ciências Exatas e da Terra

Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos

Avaliação Experimental de Superfícies na redução do Escoamento Superficial

Direto

Leandro Obadowiski Bruno

Cuiabá2011


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FICHA CATALOGR FICA

B898a Bruno, Leandro Obadowiski.Avaliação experimental de superfícies na redução do escoamento superficial

direto / Leandro Obadowiski Bruno. – 2011.xvi, 76 f. : il. color.

Orientador: Prof. Dr. Alexandre Silveira.Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo Santos Silva Amorim.Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de

Ciências Exatas e da Terra, Pós-Graduação em Recursos Hídricos, 2011.

Bibliografia: p. 67-76.

1. Escoamento superficial – Engenharia hidráulica. 2. Pavimentos per-meáveis. 3. Solo gramado – Infiltração de água. 4. Solo exposto – Infiltração deágua. 5. Blocos de concreto – Infiltração de água. 6. Áreas urbanas – Tipos derevestimento. I. Título.

CDU – 626.86Ficha elaborada por: Rosângela Aparecida Vicente Söhn – CRB-1/931


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Avaliação Experimental de Superfícies na redução do Escoamento SuperficialDireto

Dissertação apresentada ao programa de Pós-graduação

em Recursos Hídricos da Universidade Federal de Mato

Grosso, como requisito parcial para a obtenção do títulode Mestre em Recursos Hídricos.

Orientador: Prof. Dr. Alexandre SilveiraCoorientador: Prof. Dr. Ricardo Santos Silva Amorim

Cuiabá2011


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Avaliação Experimental de Superfícies na redução do Escoamento SuperficialDireto


Dissertação apresentada ao programa de Pós-graduação em Recursos Hídricosda Universidade Federal de Mato Grosso, como requisito parcial para a obtenção

do título de Mestre em Recursos Hídricos.

Aprovada por:

_______________________________Dr. Alexandre Silveira

(Orientador)

_______________________________Dr. Renato Blat Migliorini

(Examinador Interno)

_______________________________Dr. Alexandre Keppler

(Examinador Externo)

Cuiabá2011


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Aos meus pais

pelo apoio, educação

e exemplo de vida.


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AGRADECIMENTOS

Esse mestrado, como é comum das travessias, não seguiu pelos caminhos antes

planejados, mas me presenteou com dificuldades, desencontros, surpresas e novos rumos. A

grande dádiva desse trajeto foi revelada nos pequenos atos de sincera generosidade que tantas

pessoas me concederam. Se algum dia eu acreditei que tomar esse caminho havia sido uma

decisão só minha, hoje sei que essa possibilidade me foi doada por muitas pessoas que, cada

uma a seu modo, cuidam de mim, torcem por mim e confiam em mim. Agradeço:

Ao povo do Brasil, que por intermédio do seu governo, possibilitou o meu ingresso em

um curso de pós-graduação gratuito de qualidade, em uma instituição federal (UFMT),

recebendo ainda uma bolsa de mestrado fomentada pelo CNPq. Espero poder retribuir com o

trabalho todo este investimento;

Ao meu orientador, professor Alexandre Silveira, pelo acompanhamento do trabalho,

paciência, sugestões e encorajamento para o desenvolvimento de uma pesquisa de natureza

experimental, fatores essenciais para que eu pudesse chegar ao fim deste trabalho.

Ao professor Ricardo Santos Silva Amorim, pela disponibilização do simulador de

chuvas e outros materiais que possibilitaram a realização deste estudo. Pela forma atenciosa e

prestativa com que me atendeu durante todo o desenvolvimento do trabalho. Meus mais

sinceros agradecimentos.

Aos membros da banca, professor Alexandre Keppler e professor Renato Blat

Migliorini, pela disponibilidade em participar da defesa e pelas valiosas contribuiçõesconcedidas a este trabalho;

Ao amigo Bráulio pela ajuda essencial durante a parte experimental do trabalho.

Muitíssimo obrigado.

Aos amigos George, Cesar Destro, Felipe Dias, Jeferson Barison, Macus Guilherme e

Bruno Brum que, de alguma forma, participaram no desenvolvimento deste estudo;


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v

A prefeitura da UFMT pelo aporte logístico concedido a este trabalho na fase

experimental. Em especial ao mestre de obras Joel, pelo apoio durante a instalação das

parcelas experimentais e a todo o pessoal pelo auxílio prestado.

Ao Sr. José de Araújo, chefe do almoxarifado, pelo auxílio na preservação dos

materiais, principalmente pelas palavras de incentivo à nossa pesquisa e exemplo de

solidariedade;

À empresa Premoldar pela doação dos blocos utilizados nos experimentos realizados

neste trabalho, em especial ao Engenheiro Cleneo Rezende.

Não podia deixar de citar e agradecer a pessoas tão especiais para mim. Meus pais,

Arthur e Rosani, pelo carinho e confiança que sempre me dedicaram.

À Dona Mila, minha avó e segunda mãe, que contribuiu ativamente para o meu

desenvolvimento acadêmico e profissional.

Aos meus queridos irmãos, Bruna e Arthur, pela amizade e apoio durante todos estesanos.

A minha noiva Luciana, por estar presente em todos os momentos, sempre com amor e

compreensão;

À Deus, que por meio do seu amor, deu-me condições plenas e colocou todos estes já

citados em meu caminho.


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“ A natureza não é dotada de sentimentos ou de um pensamento lógico de vingança,

ela puramente opera leis naturais e procura equilibrar o ecossistema a fim de manter a vida.

Nós transformamos córregos e rios em avenidas e depois nos espantamos quando as avenidas

e ruas se transformam em córregos. Quem é o irracional ou ilógico nesta história?”

Marcus Vinícius Polignano


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RESUMO

BRUNO, L. O. (2011). Avaliação Experimental de Superfícies na redução do Escoamento

Superficial Direto. 78pág. Dissertação de Mestrado – Programa de pós-graduação em

Recursos Hídricos, Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá, 2011.

Este trabalho teve o intuito de avaliar e comparar a eficiência de cinco tipos de revestimentosutilizados em áreas urbanas: solo gramado, solo exposto, blocos de concreto vazados, blocos

de concreto maciços e concreto convencional de cimento na redução do escoamento

superficial. A pesquisa fundamentou-se em realização de testes experimentais, conduzidos nas

parcelas construídas em triplicata para cada tipo de superfície, sob as quais foram realizadas

chuvas com simulador calibrado às intensidades de precipitação de 79mm/h e 121mm/h.

Foram avaliados parâmetros hidrológicos por meio de balanço hídrico, tais como coeficiente

de escoamento superficial e taxa de infiltração estável, e ainda o controle de umidade inicialnas camadas de solo adjacentes aos revestimentos analisados. Das alternativas avaliadas, a

superfície com grama foi a que apresentou os melhores resultados. Verificou-se que para este

revestimento não houve a geração do escoamento superficial para alguns casos, mostrando o

potencial de superfícies cobertas com vegetação na redução do escoamento superficial. Por

outro lado, para a parcela com solo exposto, a geração de escoamento superficial foi bastante

superior à parcela com grama, com coeficiente de escoamento de até duas vezes maior. O

escoamento superficial verificado no concreto convencional foi na ordem de 90% do volume

precipitado, sendo 4,3 vezes maior do que o valor apresentado nos revestimentos de blocos de

concreto maciços. Os blocos de concreto vazados e blocos de concreto maciços foram

eficientes na redução do escoamento superficial corroborando com os valores apresentados na

literatura.

Palavras chave: Pavimentos permeáveis; Redução de escoamento superficial; simulação de

chuva.


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ABSTRACT

BRUNO, L. O. (2011). Experimental Evaluation of Five Types of surfaces to reduce runoff in

urban areas. 78pág. Dissertação (Mestrado) – Programa de pós-graduação em Recursos

Hídricos, Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá, 2011.

This work aimed to evaluate and compare the efficiency of five different coatings used inurban areas: lawn soil, bare soil, waterproof concrete lining, hollow concrete blocks and solid

concrete blocks used to reduce runoff. The research was based in experimental tests,

conducted in portions constructed in triplicate to each type of surface, under which they were

realized rains with a calibrated simulator at rain intensities of 79 mm/h and 121 mm/h. They

were evaluated hydrological parameters through water balance, such as runoff coefficient and

steady infiltration rate, and also the control of the initial moisture in the layers of soil adjacent

to the analyzed coatings. From the analyzed alternatives, the lawn soil showed the best results.It was verified that this coating did not generate the runoff for some cases, showing the

potential of surfaces covered with vegetation to reduce the runoff. On the other hand, the

portion with exposed soil generated a far superior runoff compared to the portion with lawn

soil, presenting a runoff coefficient twice higher. The runoff verified in the solid concrete

blocks was around 90% of the rainfall volume, four and a half times higher than the value

presented in the surfaces with hollow concrete blocks coatings. The waterproof concrete

lining and hollow concrete blocks were effective in reducing the runoff, corroborating with

the values presented in the literature.

Keywords: Porous pavements; runoff reduction; rain simulation.


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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................ 3

2.1 Crescimento urbano e seus impactos .................................................................................... 3

2.2 Efeitos da urbanização sobre o regime hídrico ........................................................... 4

2.3 Sistemas de drenagem urbana............................................................................................... 7

2.3.1 Classificação de medidas de controle ................................................................ 7

2.3.2 Princípios de planejamento da drenagem urbana .............................................. 8

2.3.3 Soluções alternativas ou compensatórias ........................................................ 10

2.4 Detenção na fonte ............................................................................................................... 14

2.4.1 Trincheiras de infiltração, poços de infiltração, planos de infiltração ............. 16

2.4.2 Superfícies permeáveis .................................................................................... 18

2.5 Considerações teóricas ............................................................................................. 22

2.5.1 Infiltração de água no solo............................................................................... 22

2.5.2 Modelos de Infiltração ..................................................................................... 24

2.5.3 Métodos para determinação da infiltração de água no solo............................. 25

2.5.4Simulador de chuvas ......................................................................................... 26

3. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 28

3.1 Objetivo geral ..................................................................................................................... 28

3.2 Objetivos específicos .......................................................................................................... 28

4. MATERIAL E MÉTODOS ................................................................................................ 29

4.1 Delineamento das superfícies estudadas............................................................................. 29


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4.2 Escolha do local de implantação da unidade experimental na área de estudo ................... 33

4.2.1 Ensaios preliminares de campo ....................................................................... 34

4.2.1.1 Análise granulométrica ..................................................................... 35

4.2.1.2 Ensaios de Infiltração em campo ...................................................... 36

4.3 Construção da unidade experimental .................................................................................. 38

4.3.1 Instalação dos blocos ....................................................................................................... 38

4.3.2 Delimitação da área efetiva de cada parcela ................................................................... 39

4.4 Calibração do equipamento simulador de chuvas .............................................................. 40

4.5 Realização dos testes .......................................................................................................... 42

5. RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSSÃO ..................................................................... 47

5.1 Análise granulométrica ....................................................................................................... 47

5.2 Teste preliminar de infiltração no solo para determinação da área de estudo .................... 48

5.3 Calibração do equipamento simulador de chuvas .............................................................. 49

5.4 Testes experimentais .................................................................................................. 49

5.4.1 Taxa de infiltração e tempo de empoçamento para os testes

experimentais realizados com intensidade de precipitação de 79mm/h.......................... 48

5.4.2 Escoamento superficial e coeficiente de escoamento para os

testes experimentais realizados com intensidade de precipitação de 79mm/h ................ 54

5.4.3 Taxa de infiltração e tempo de empoçamento para os testes

experimentais realizados com intensidade de precipitação de 129mm/h........................ 55

5.4.4 Escoamento superficial e coeficiente de escoamento para os

testes experimentais realizados com intensidade de precipitação

de 79mm/h e 129mm/h ................................................................................................... 59

5.4.5Análise estatística ............................................................................................................. 62

6. CONCLUSÕES ................................................................................................................... 66


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7. RECOMENDAÇÕES ......................................................................................................... 68

8. REFERÊNCIASBIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 69


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SUMÁRIO DE FIGURAS

Figura 2.1 – Impactos da urbanização no hidrograma de cheia para rios em áreas urbanas e

não urbanizadas. Fonte: Vaz Curvo e Carneiro (2000) ............................................................... 5

Figura 2.2 – Relação entre % de área urbanizada e % de área servida por drenagem, no

aumento da vazão máxima. Fonte: Leopold (1965) apud Tucci e Genz (1995) ........................ 6

Figura 2.3 – Trincheira pronta para o monitoramento. Fonte: Lima (2009) ............................ 15

Figura 2.4 – Trincheira de infiltração de Schueler, segundo Cruz, Araujo e Souza (1999) ..... 17Figura 2.5 – Plano de infiltração. Fonte: Milograma (2001) .................................................... 18

Figura 2.6 – Superfície de blocos vazados utilizada na Universidade Federal de

Mato Grosso ............................................................................................................................ 19

Figura 2.7 – Pavimento permeável. Fonte: Urbonas e Stahre (1993)....................................... 20

Figura 2.8 – Curva representativa da capacidade de infiltração e da taxa de

Infiltração em função do tempo sob condições de precipitação constante ............................... 24

Figura 4.1 – Superfícies construídas ........................................................................................ 31

Figura 4.2 – Layout do projeto de locação das parcelas experimentais ................................... 32

Figura 4.3 – Desenho esquemático da parcela experimental.................................................... 33

Figura 4.4 – Local escolhido para a instalação da unidade experimental ................................ 34

Figura 4.5 – Instalação do material utilizado no teste preliminar de infiltração ...................... 37

Figura 4.6 – Ensaio de infiltração ............................................................................................. 38

Figura 4.7 – Instalação dos revestimentos estudados ............................................................... 39

Figura 4.8 – Desenho esquemático do quadro metálico, utilizado para delimitar a

área efetiva das superfícies estudadas ...................................................................................... 40

Figura 4.9 – Simulador de chuvas utilizado no experimento ................................................... 41

Figura 4.10 – Detalhe dos obturadores e do manômetro do simulador de chuvas ................... 42

Figura 4.11 – Teste de uniformidade ........................................................................................ 43


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Figura 4.12 – Simulador de chuvas em funcionamento ........................................................... 43

Figura 5.1 – Curva granulométrica para o solo da área em estudo .......................................... 47

Figura 5.2 – Taxa de infiltração para os pontos A1, A2 e A3 ..................................................... 48

Figura 5.3 – Taxa de infiltração (Ti) obtida experimentalmente e a partir do ajuste

da equação de Horton aos dados experimentais para os cinco revestimentos estudados

utilizando-se intensidade de precipitação de 79mm/h .............................................................. 50

Figura 5.4 – Taxa de infiltração (Ti) obtida experimentalmente e a partir do ajuste

da equação de Horton aos dados experimentais para os cinco revestimentos estudados

utilizando-se intensidade de precipitação de 121mm/h ............................................................ 56

Figura 5.5 – Coeficiente de escoamento dos revestimentos estudados .................................... 61

Figura 5.6 – Nível de significância da umidade inicial (%) dos tratamentos analisados ......... 63


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SUMÁRIO DE TABELAS

Tabela 2.1 – Categoria de medidas não estruturais. Fonte: Prosab (2009) ............................... 08

Tabela 4.1 – Tipos de superfícies analisadas ............................................................................ 44

Tabela 5.1 – Valores de umidade inicial do solo (%) verificados nos testes realizados

Com intensidades de precipitação de 79mm/h ......................................................................... 50

Tabela 5.2 – Valores ajustados aos dados experimentais e os respectivos Coeficientes

de Determinação obtidos .......................................................................................................... 51

Tabela 5.3 – Valores da taxa de infiltração estável (Tie) no que confere ao tempo de

Obtenção da (Tie) e tempo de empoçamento (tp) observados nos ensaios de infiltração ........ 52

Tabela 5.4 – Valores de volume precipitado e escoado, e ainda os coeficientes de

Escoamento superficial ............................................................................................................. 54

Tabela 5.5 – Valores de umidade inicial do solo (%) verificados nos testes realizados

Com intensidades de precipitação de 121mm/h ....................................................................... 56

Tabela 5.6 – Valores ajustados aos dados experimentais e os respectivos Coeficientes

de Determinação obtidos .......................................................................................................... 57

Tabela 5.7 – Valores da taxa de infiltração estável (Tie) no que confere ao tempo de

Obtenção da (Tie) e tempo de empoçamento (tp) observados nos ensaios de infiltração ........ 58

Tabela 5.8 – Valores de volume precipitado e escoado, e ainda os coeficientes de

Escoamento superficial ............................................................................................................. 60

Tabela 5.9 – Valores médios da taxa de infiltração estável (mm/h), tempo de

Empoçamento (min.) e coeficiente de escoamento sob diferentes intensidades de

Precipitação simulada ............................................................................................................... 64


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LISTA DE SÍMBOLOS

Cesc Coeficiente de escoamento

CUC Coeficiente de uniformidade de Christiansen

CI Capacidade de infiltração

i Taxa de infiltração no solo

capacidade de infiltração final capacidade de infiltração inicial

ip Regime de precipitação constante condutividade hidráulica do solo para um dado teor de umidade constante que representa a taxa de decréscimo na capacidade de infiltraçãol Infiltração acumulada

massa dos sólidos< porcentagem de solo em suspensão no momento da leitura,Ρs massa específica dos sólidos

leitura do densímetro na proveta contendo suspensão de soloR² Coeficiente de determinação

leitura do densímetro na proveta contendo água e defloculantet Tempo

tp Tempo de empoçamento

Ti Taxa de infiltração

Tie Taxa de infiltração estável

potencial matricial da água no solo potencial gravitacional da água no solo diâmetro equivalente da partículaµ viscosidade absoluta

ρs massa específica dos sólidosρw massa específica da água distância entre o centro de volume do bulvo do densímetro e a superfície


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1. INTRODUÇÃO

O Brasil e os demais países em desenvolvimento têm apresentado elevadas taxas de

crescimento urbano nas últimas décadas. Este fenômeno tem ocasionado mudanças

significativas no ambiente, contribuindo para o comprometimento da qualidade de vida de

seus habitantes. Tal situação tem sido provocada, entre outros, pela impermeabilização do

solo urbano, adensamento populacional em áreas impróprias para ocupação, disposição

inadequada de resíduos sólidos e descargas de esgoto doméstico sem tratamento nos

mananciais urbanos e rurais.

O aumento da população nas cidades deveria ser acompanhado pelo planejamento

urbano e crescimento de infra-estrutura. No entanto, o modelo de ocupação vigente na maioria

das cidades brasileiras é resultante de um processo impensado e inadequado. Um dos

problemas gerados pelo crescimento das áreas urbanas é a impermeabilização do solo e o

consequente aumento do escoamento superficial.

A urbanização implica na transformação da cobertura natural do solo através da

sobreposição de telhados, calçamentos e pavimentação asfáltica. Essas estruturas impedem

que a água das chuvas alcancem o solo, tendo como resultado o seu deslocamento para locais

adjacentes, favorecendo alterações nas fases do ciclo hidrológico. Dessa maneira, a

urbanização é responsável por alterações que resultam no aumento da frequência e magnitude

das cheias dos rios urbanos, na redução da recarga dos aquíferos além do aumento da

velocidade de escoamento superficial durante os eventos de cheia.

Tradicionalmente, os projetos e, consequentemente, dispositivos utilizados para a

solução dos problemas de drenagem das águas pluviais são voltados para a canalização do

escoamento. Os exemplos mais comuns consistem na construção de galerias subterrâneas e na

retificação dos córregos urbanos. Muitas vezes, estas medidas tornam-se ineficazes eineficientes (Schluter; Jefferies, 2004). Além disso, os custos das canalizações são muito

altos, muitas vezes impraticáveis em virtude da carência financeira dos municípios.

Experiências práticas comprovam que estes sistemas não são sustentáveis (Scholz,

2006). Primeiro, por conduzirem o volume escoado para outras bacias, o que não resolve

definitivamente o problema das enchentes. E depois, por sua limitada capacidade em

transferir os volumes precipitados, face ao incremento do escoamento superficial, ocasionado

pela crescente urbanização. Nesse sentido, estudos recentes (Collins et al., 2006; Sansalone et al., 2008; Wanphen,


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Nagano, 2009) indicam que uma nova abordagem com relação ao gerenciamento de águas

pluviais em ambientes urbanos vem se consolidando. Dessa forma, conceitos recentes

relacionados ao desenvolvimento de sistemas de drenagem urbana sustentáveis e o uso das

chamadas soluções alternativas ou técnicas compensatórias de drenagem são destacadas.

Soluções alternativas são aquelas que se opõem ao conceito de evacuação rápida,

proposta pelo modelo tradicional de drenagem. Seu objetivo se concentra no controle do

escoamento, promovendo o retardamento e a infiltração das águas pluviais. O termo solução

compensatória também é freqüentemente utilizado na literatura especializada em função do

efeito compensador das soluções sobre os impactos causados pela urbanização nos processos

hidrológicos.

Dentre os dispositivos que podem reduzir o escoamento superficial na fonte estão assuperfícies permeáveis. Urbonas e Stahre (1993) definem as superfícies permeáveis em

dispositivos de infiltração onde o escoamento superficial é desviado através de uma superfície

permeável, para onde infiltra através do solo, podendo sofrer evaporação ou atingir o

aquífero.

Para que as superfícies permeáveis possam ser utilizadas em ambientes urbanos como

alternativa para o controle do escoamento superficial, o seu comportamento deve ser

estudado. Nascimento et. al., (1997) ressalta que a eficiência dessas soluções estácondicionada às características locais como tipo de solo, regime de precipitações, topografia,

qualidade das águas de drenagem, dentre outros. Por esta razão, não é possível simplesmente

adotar os resultados encontrados por outros pesquisadores, e sim, há a necessidade de se

experimentar o comportamento desses dispositivos para cada região, de forma a obter

resultados que comprovem a aplicabilidade das soluções para um panorama local.

Neste contexto, o presente trabalho teve o intuito de avaliar e comparar a eficiência de

cinco tipos de revestimentos utilizados em áreas urbanas: solo gramado, solo exposto,superfície de concreto convencional, superfície de blocos de concreto vazados e superfície de

blocos de concreto maciços na redução do escoamento superficial na fonte. A pesquisa

envolveu a realização de testes experimentais, conduzidos em parcelas construídas em

triplicata para cada tipo de superfície, sob os quais foram realizadas chuvas artificiais com

simulador.


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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Crescimento urbano e seus impactos

A população mundial cresceu muito rapidamente nas ultimas décadas, tendo ocorrido

uma grande concentração de pessoas nas áreas urbanas. Segundo Mota (2003), o Brasil seguiu

esse fenômeno, o qual tornou-se mais acentuado no século XX. Entre os anos de 1970 e 1980

o crescimento numérico da população urbana já ultrapassava a população rural. Essa

tendência de crescimento urbano tem se mostrado fator determinante na deterioração da

qualidade de vida de seus habitantes e do ambiente.

O aumento da população urbana deveria ser acompanhado da modernização ecrescimento de toda infra-estrutura. Porém, o desenvolvimento urbano tem ocorrido de

diferentes maneiras ao longo do tempo, geralmente de forma descontrolada e sem

planejamento. Para Mota (1999), as consequências desse processo inadequado de crescimento

foram várias, dentre elas: falta de condições sanitárias mínimas em muitas áreas, ausência de

serviços indispensáveis à vida das pessoas nas cidades, destruição de recursos de valor

ecológico, poluição do meio ambiente, condições precárias de habitação, entre outros.

A questão da ocorrência de enchentes urbanas e suas consequências tanto sociaisquanto ambientais também são resultados dessa problemática. A urbanização implica na

transformação da cobertura natural do solo, onde geralmente são implantadas estruturas e

edificações construídas, quase que totalmente, por materiais impermeáveis. Tais estruturas

impedem que a água das chuvas alcancem o solo, fazendo com que o volume de água se

desloque para locais adjacentes, resultando em alterações drásticas nas fases do ciclo

hidrológico natural.

Em relação aos mananciais superficiais e subterrâneos, o desenvolvimento das cidadesnão apresenta efeitos menos intensos, alterando a disponibilidade de água local, tanto em

quantidade como em qualidade. O crescimento urbano desordenado sobre os rios utilizados

para o abastecimento público tem apresentado graves reflexos na qualidade das águas, como

altos custos econômicos e sociais, tornando a disponibilidade hídrica um limitante para o

próprio desenvolvimento das cidades (Andreoli et al., 2000a; Andreoli et al., 2000b). Segundo

esses autores, a demanda por água potável nos centros urbanos tem aumentado em função do

crescimento populacional e da elevação do consumo per capita.

A ocupação impensada nos centros urbanos não gera apenas problemas ambientais,

mas também problemas de ordem social, dentre os quais destacam-se a marginalização,


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4

exclusão social, surgimento de favelas, loteamentos clandestinos, aumento da criminalidade e

desemprego.

De acordo com Maricato (2000), o fator responsável pela configuração da realidade

urbana atual das cidades brasileiras não foi apenas a falta de planejamento, mas sim a falta da

participação popular acrescido ao fato do distanciamento entre a teoria do planejamento e a

intervenção prática na construção do ambiente urbano.

2.2 Efeitos da urbanização sobre o regime hídrico

Do ponto de vista da hidrologia, a urbanização é responsável por alterações queresultam no aumento da freqüência e magnitude das cheias dos rios urbanos, na redução da

recarga dos aqüíferos e no aumento da velocidade de escoamento durante os eventos de cheia.

Tucci (1995) observa que estes efeitos derivam diretamente da compactação do solo e de sua

impermeabilização, através da sobreposição de telhados, ruas calçadas, pavimentos asfálticos

e de concreto.

Na medida em que os padrões de uso e ocupação do solo promovem a

impermeabilização da área de drenagem pluvial, a parcela da água que antes infiltrava no solo passa a escoar superficialmente atingindo os condutos de drenagem, aumentando o

escoamento superficial e reduzindo o tempo de concentração da bacia hidrográfica (Andreoli;

Carneiro, 2005). Para o autor, o volume que escoava lentamente pela superfície do solo e

ficava retido pela vegetação, passa a escoar no canal, exigindo maior capacidade das seções

transversais dos cursos d’água. Um hidrograma hipotético típico de uma bacia natural e

aquele resultante da urbanização são apresentados na Figura 2.1.

Diferentes trabalhos e estudos desenvolvidos em bacias urbanas do mundo tododemonstram que a ocupação urbana de forma não planejada tende a elevar as vazões

máximas.


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Figura 2.1 – Impacto da urbanização no hidrograma de cheia para rios em áreas urbanizadas e

não urbanizadas. Fonte: Vaz Filho e Carneiro (2000).

Conforme Hall (1986), o aumento da população e o consequente processo de

urbanização levam a uma maior procura por recursos naturais, entre eles a água é o mais

importante. Essa realidade é responsável por gerar graves problemas aos recursos hídricos.

Além disso, o lançamento de dejetos e resíduos sólidos nos corpos d’água gera poluição e

degradação da rede hidrográfica local.

Dentre os diversos efeitos da urbanização, segundo Tucci (2003a), citam-se:

Redução do volume de infiltração; Aumento do escoamento superficial;

Redução do nível freático, reduzindo o escoamento subterrâneo;

Devido à substituição da cobertura vegetal ocorre uma redução da evapotranspiração.

As enchentes ampliadas pela urbanização, em geral, ocorrem em bacias de pequeno

porte. Evidentemente, as exceções são as grandes regiões metropolitanas, como São Paulo,

onde o problema abrange cerca de 800km² (Tucci, 1995).

Para as grandes bacias, existe um efeito combinado em relação ao escoamento nos

vários canais da macrodrenagem, que são influenciados pela distribuição espacial e temporal

das precipitações máximas (Bollmann, 2003). Para os casos extremos, verifica-se que o pico

da cheia numa bacia urbanizada pode chegar até 6 vezes maior que o pico desta mesma bacia

em condições normais. A Figura 2.2, proposta por Leopold (1965) apud Tucci e Genz (1995),

é o gráfico resultante desta situação, onde a urbanização é expressa por impermeabilidade da

bacia e da porcentagem da área com condutos.


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Figura 2.2 – Relação entre % de área urbanizada e % de área servida por drenagem, no

aumento da vazão máxima. Fonte: Leopold (1965) apud Tucci e Genz (1995).

Outra consequência do desenvolvimento urbano em relação aos pequenos rios urbanos

tem sido a redução da vazão no período de estiagem. Com o aumento do escoamentosuperficial devido à impermeabilização, os aquíferos não são abastecidos, e a vazão do rio é

reduzida. O escoamento, muitas vezes, é devido aos esgotos lançados in natura ou por meio

de ligações clandestinas de esgotos na drenagem pluvial (Tucci, 1995).

Tucci (2003a) informa que em precipitações intensas a quantidade de água que escoa

para o rio pode ser superior a sua capacidade de drenagem, resultando em inundações das

áreas ribeirinhas. Além dos prejuízos econômicos, que segundo Tucci (2003a), somaram 3

bilhões de dólares no inicio dos anos 80 nos Estados Unidos, as inundações tambémfavorecem a proliferação de doenças de veiculação hídrica, como a gastrointerite, cólera,

febre tifóide, hepatite A, hepatite E, leptospirose, e outras.

A solução adotada pela maioria das cidades brasileiras para o problema das inundações

localizadas é a canalização do rio principal. Essa canalização faz com que os impactos das

cheias, que antes ficavam localizados na montante da bacia, sejam transferidos para a jusante.

Como geralmente a jusante da bacia já existe ocupação próxima as margens dos rios, a única

solução é o aprofundamento da seção do rio a custos altíssimos para a sociedade (Tucci;

Genz, 1995).


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7

2.3 Sistemas de drenagem urbana

2.3.1 Classificação das medidas de controle

Os sistemas de drenagem urbana podem ser classificados de acordo com uma série de

critérios, tais como: natureza do controle, abrangência espacial, atuação sobre o ciclo

hidrológico, e outros.

Quanto à natureza do controle, costuma-se dividir os sistemas de drenagem urbana em

estruturais e não estruturais. As primeiras tem caráter corretivos, caracterizadas pela

construção de obras hidráulicas (Sefione, 1998). As ultimas são aquelas em que os prejuízos

são reduzidos pela melhor convivência da população com as enchentes (Tucci, 2003b).As medidas estruturais, segundo Tucci e Genz (1995), podem ser classificadas de

acordo com a área de abrangência, em:

Medidas distribuídas ou na fonte: medidas que atuam sobre o lote, praças e passeios,

aumentando áreas de infiltração e percolação, e/ou medidas de armazenamento

temporário de água de chuva em reservatórios residenciais ou de telhados;

Medidas na microdrenagem: controle que age sobre um ou mais loteamentos.

Utilizam-se para esse fim dispositivos de amortecimento do volume gerado peloloteamento, como tanques, lagos e pequenos reservatórios abertos ou subterrâneos;

Medidas na macrodrenagem: esse tipo de controle utiliza medidas estruturais para

modificar rios e riachos urbanos.

Com relação aos sistemas não estruturais, Prosab (2009) destaca que esta categoria se

utiliza de meios naturais para reduzir a geração do escoamento e a carga poluidora; não

contempla obras civis, mas envolve ações de cunho social para modificar padrões de

comportamento da população, tais como meios legais, sanções econômicas e programas

educacionais; são denominados sistemas de controle na fonte, pois atuam no local próximo

das fontes de escoamento, estabelecendo critérios de controle do uso e ocupação do solo

nessas áreas. As medidas não estruturais de controle do escoamento na fonte podem ser

agrupadas em categorias, conforme mostra a Tabela 2.1.


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Tabela 2.1 – Categoria de medidas não estruturais.

Principais Categorias Medidas não Estruturais

Educação pública Educação pública e disseminação do conhecimento

Equipe técnica capacitada

Superfícies com vegetação

Planejamento e manejo de água Áreas impermeáveis desconectadas

Telhados verdes

Urbanização de pequeno impacto

Uso de materiais e produtos químicos Uso de produtos alternativos não poluentes

Práticas de manuseio e de armazenamento adequadas

Manutenção dos dispositivosde infiltração nas vias

Varrição de ruas

Coletas de resíduos sólidosLimpeza dos sistemas de filtração

Manutenção das vias e dos dispositivos

Manutenção dos canais e cursos d’água

Medidas de prevenção contra a conexão ilegal

Fiscalização: detecção, retirada e multa

Controle de conexão ilegal de esgoto Controle do sistema de coleta de esgoto e de tanquessépticos

Jardinagem e lavagem de veículos

Reuso da água pluvial Sistema predialFontes e lagos

Fonte: Prosab (2009)

2.3.2 Princípios de planejamento da drenagem urbana

De modo a minimizar os efeitos da urbanização sobre o ciclo hidrológico, a

engenharia faz uso do planejamento dos sistemas de drenagem urbana e de medidas de

controle, que podem atuar em diversas escalas espaciais.

Os sistemas tradicionais de drenagem urbana são constituídos, tipicamente, pela rede

de transporte de escoamento. As soluções mais empregadas consistem na construção de

galerias e condutos subterrâneos, obras consideradas hidraulicamente eficientes no sentido de

transportar rapidamente os excessos de água para jusante (Silva, 2006).

Entretanto, a experiência com a utilização desse tipo de solução mostrou sérias

limitações. Observou-se que promover o transporte rápido do escoamento em meio à

crescente impermeabilização do espaço urbano apenas contribuía para o aumento da


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ocorrência de inundações à jusante das áreas drenadas e para o transporte da poluição

proveniente de fontes não pontuais para os corpos receptores, mesmo durante eventos mais

frequentes (Wright; Heaney, 2001). Além disso, com a continuidade da urbanização, a

obsolescência das soluções era inevitável, exigindo a implantação e reestruturação periódica

dos sistemas, gerando altos custos para os municípios.

Cruz et al., (1998) criticam a prática atual de projetos de drenagem pluvial, que é de

transportar para a jusante todo o excesso de água gerado pela impermeabilização. Dessa

forma, à medida que o escoamento se desloca para jusante, é acrescido de novos aumentos de

volume devido à urbanização, resultando em acréscimos significativos na vazão máxima.

Neste contexto, a ineficiência dos sistemas convencionais em controlar as inundações,

aliadas à necessidade de soluções adaptadas para o contexto crescente de preservaçãoambiental evidenciaram as limitações do uso das soluções clássicas, levando ao

questionamento sobre a continuidade da sua utilização e difusão (Silva, 2006).

Enquanto os sistemas tradicionais visam a evacuação rápida das águas pluviais para

jusante, os dispositivos de controle na fonte, isto é, dispositivos alternativos de drenagem

urbana, procuram reduzir e retardar escoamentos urbanos (Suderhsa, 2000). Silveira (1998)

comenta que esta abordagem, voltada para o uso de soluções alternativas para drenagem de

águas pluviais em meio urbano é mais complexa, pois depende fortemente das condiçõeslocais. Além disso, maiores investimento iniciais são requeridos. Por outro lado, apresenta

menos custo global, já que trabalha com a prevenção dos problemas. Com relação às

condições locais, Nascimento et al., (1997) destacam fatores tais como tipo de solo, as águas

subterrâneas, o regime de precipitações, a qualidade das águas de drenagem, a topografia e

outros.

Essas soluções procuram atuar sobre o ciclo hidrológico, recompondo os processos

naturais modificados pela urbanização.Segundo Tucci e Genz (1995), para o bom desenvolvimento de um programa

consistente de drenagem urbana, é necessário que se conheçam e se apliquem os princípios de

controle. Dentre eles, merecem destaque:

Bacia com sistema: o controle deve ser exercido na bacia hidrográfica urbana e não

em pontos isolados (Tucci, 1997), o que implica em que os impactos não podem ser

transferidos (Tucci e Genz, 1995);

Avaliação dos cenários futuros: o controle deve ser feito tomando-se por base os

cenários futuros de ocupação e desenvolvimento da bacia (Tucci, 1997), sendo que

esta previsão futura deverá ser baseada no Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano;


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Plano Diretor : o controle deve ser estabelecido através do Plano Diretor de Drenagem

Urbana, administrado pelos municípios com o apoio técnico do estado (Tucci, 1997),

contemplando o Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano, as Legislações

Municipais e Estadual (Tucci e Genz, 1995);

Não ampliação da cheia natural: nenhum usuário urbano pode ampliar a cheia natural

(Tucci e Genz, 1995).

Controle permanente;

Educação Ambiental;

2.3.3 Soluções alternativas ou compensatórias

Soluções alternativas são aquelas que se opõem ao conceito de evacuação rápida,

proposta pelo modelo tradicional de drenagem. Seu objetivo se concentra no controle do

escoamento, promovendo o retardamento e a infiltração das águas pluviais. O termo solução

compensatória também é frequentemente utilizado na literatura especializada em função do

efeito compensador das soluções sobre os impactos causados pela urbanização nos processos

hidrológicos.A aplicação de soluções alternativas para a drenagem urbana e disposição de águas

pluviais em áreas urbanas tem sido mencionada na literatura há mais de 20 anos. Essas

soluções são inseridas com frequência no contexto das BMPs (Best Management Practice). O

conceito de BMP surgiu nos Estados Unidos, abrangendo uma série de medidas voltadas,

dentre outros aspectos, para o controle do escoamento em ambientes urbanos (D’arcy; Frost,

2001).

A difusão e o uso dessas medidas ocorrem, inicialmente, nos países desenvolvidos,face à necessidade de reduzir a poluição difusa devido à urbanização e atividades agrícolas,

atenuar os picos do escoamento superficial e diminuir os riscos e impactos causados ao

ambiente por trasbordamentos (overflows) em sistemas unitários durante períodos chuvosos

(Ice, 2004).

Mais recentemente, aplicações de soluções alternativas têm sido frequentemente

reportadas no contexto da urbanização de baixo impacto (LID – Low Impact Development ),

que fazem parte de uma linha de estudos urbanísticos. Com relação à hidrologia, essa

abordagem propõe combinar projetos localizados com funções hidrológicas e medidas de

prevenção da poluição para compensar os impactos da urbanização sobre a quantidade e


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escoamento superficial e à redução da poluição difusa. Nesse sentido, elas são tidas como

inovações promissoras com relação ao gerenciamento das águas pluviais em meio urbano por

acumular a dupla função de proteção contra inundação e manutenção da qualidade dos corpos

receptores de forma integrada (Roesner et al., 2001).

A utilização de soluções alternativas também pode favorecer a permanência da água

pluvial por maior tempo nos centros urbanos. Com isso, a possibilidade de integração dessas

soluções a outros usos, servindo, por exemplo, como áreas verdes e de recreação, pode

contribuir para maior valorização da água no meio urbano, adicionando valor estético à cidade

(Niemczynowicz,1999).

As vantagens em se utilizar o enfoque compensatório dependem do tipo de solução

adotada, assim como da escala de utilização. De forma geral, podem ser destacadas (Urbonas;Stahre, 1993):

diminuição do risco de inundação e contribuição para a melhoria da qualidade da água

no meio urbano;

redução ou mesmo eliminação da rede de microdrenagem local;

minimização das intervenções à jusante de novas áreas loteadas;

boa integração com o espaço urbano e possibilidade de valorização da água no meio

urbano, através de áreas verdes, área de lazer, e outros; aumento da recarga de água subterrânea, normalmente reduzida em razão da

impermeabilização de superfícies, com conseqüente manutenção da vazão de base dos

pequenos rios urbanos;

baixos custos de implantação.

Segundo esses autores, dentre as desvantagens na aplicação desse procedimento

podem-se destacar: preocupação com manutenção frequente, a fim de se evitar a perda de desempenho e

aumentar a vida útil;

utilização de tecnologias condicionadas a características de solo (tipo, uso e

ocupação, topografia);

aplicação recente, resultando na falta de padrões de projeto e na escassez de

informações a respeito do seu funcionamento a longo prazo;

risco de contaminação do solo e aquífero.

As medidas alternativas podem ser classificadas a partir de diferentes critérios


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conforme, por exemplo, a escala de atuação ou tipo de ação sobre os processos hidrológicos.

Nesse sentido, elas podem ser divididas em soluções distribuídas ou concentradas, ou

soluções de infiltração ou detenção.

As medidas de controle distribuídas, ou de controle na fonte, atuam sobre pequenas

áreas e, portanto, são aplicadas de forma difusa na bacia hidrográfica. As soluções

concentradas promovem o controle sobre todo o escoamento proveniente de uma área de

contribuição, atuando no hidrograma resultante de um ou mais loteamentos, ou no nível da

macrodrenagem (Urbonas; Stahre, 1993).

Com relação à ação sobre os processos hidrológicos, as técnicas alternativas podem

atuar na redução dos volumes ou da vazão. No primeiro caso, estão inseridas as soluções que

promovem a infiltração e percolação do escoamento, enquanto que no segundo caso, astécnicas trabalham com o conceito de armazenamento, de forma a deter o escoamento por um

período de tempo para liberá-lo posteriormente. Essas últimas também podem promover a

infiltração e percolação embora esse não seja seu objetivo primordial.

As estruturas alternativas podem atuar, também, de forma combinada (armazenamento

e infiltração). Segundo Souza (2002), esse tipo de arranjo é utilizado, normalmente, para se

obter um tratamento preliminar da água de escoamento antes da sua infiltração. Os

dispositivos de detenção promovem um pré-tratamento por meio da deposição de grande parteda matéria em suspensão, reduzindo a quantidade de poluentes adsorvidos nos sedimentos.

Uma das primeiras aplicações seguindo o enfoque compensatório foi a aplicação de

bacias de detenção para a atenuação das vazões de pico na macrodrenagem. Segundo Souza e

Goldenfum (1999), o emprego dessa solução é anterior ao conceito de solução compensatória,

propriamente dita. A literatura traz vários exemplos de aplicação dessas bacias em diversos

países como França, Inglaterra e Brasil (Nascimento et al., 1998).

Inicialmente, a função dessas bacias ou reservatórios de detenção era exclusivamente ocontrole da cheia à jusante de uma área, no sentido de promover a redistribuição temporal dos

fluxos e reduzir as vazões de pico a níveis pré-estabelecidos. Mais recentemente, tem se

buscado valorizar essas estruturas como equipamentos destinados a reduzir também os

impactos da poluição urbana, com a possibilidade de, se bem planejadas, servir para múltiplos

usos, como áreas de lazer, parques, dentre outros.

Entretanto, o ganho de experiência com a implantação de um grande número dessas

estruturas, sobretudo nos países desenvolvidos, apontou alguns inconvenientes. O controle no

nível da macrodrenagem envolve custos muito elevados, em função do tamanho da área de

contribuição, gerando estruturas de grandes dimensões.


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Além disso, há a possibilidade de ocorrência de problemas ambientais provocados pela

carga de lixo carreada para essas estruturas, sobretudo em áreas com alto grau de urbanização,

e pela interligação entre esgotos pluviais e sanitários. O aporte de cargas elevadas de

poluentes e sedimentos podem causar problemas de assoreamento e eutrofização. Essas

estruturas demandam, geralmente, maior tempo necessário para a implantação e a necessidade

de grandes áreas livres e com posicionamento adequado (Cruz et al., 1998).

Nascimento et. al., (1998), comentam que há grande risco de falência no emprego de

bacias de detenção em virtude da adoção de critérios inadequados de dimensionamento, da

carência de dados hidrológicos, da insuficiência de programas de monitoramento e de outros

condicionantes. Dessa falência pode resultar o descrédito em soluções compensatórias e, pior,

a persistência dos problemas de drenagem e poluição urbana.Mais recentemente, a tendência aponta para o uso de soluções de controle do tipo

distribuída. A idéia é atuar sobre o fluxo de origem, ou seja, sobre pequenas áreas

impermeáveis onde o escoamento é gerado inicialmente, de forma a recuperar mais

efetivamente os processos hidrológicos modificados pela urbanização.

2.4 Detenção na fonte

As estruturas de detenção na fonte trabalham no sentido de restaurar a capacidade de

armazenamento natural de uma área, perdida em virtude da urbanização. Em alguns casos,

estes elementos podem também facilitar a infiltração da água no solo, funcionando como

estruturas mistas.

Os dispositivos de detenção na fonte são constituídos por reservatórios aplicados no

lote que atuam no controle das vazões de saída limitando a vazão máxima a um determinadonível pré-estabelecido. Entretanto, o controle no lote permite a redução de apenas uma parte

dos impactos devido à urbanização, visto que ainda restam ruas, calçadas e áreas públicas

(Tassi, 2002). Mesmo assim, a redução das vazões de saída dos lotes poderá melhorar a

eficiência global no controle do escoamento superficial e permitir uma economia no sistema

de drenagem.

De forma geral, os reservatórios no lote podem ser aplicados tanto para recolher toda a

água gerada no lote como apenas a água gerada no telhado da edificação. A Figura 2.3 mostraum exemplo de detenção na fonte, utilizada para o monitoramento em São Carlos – SP.


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Figura 2.3 – trincheira pronta para o monitoramento. Fonte: Lima (2009).

A eficiência desses dispositivos tem sido estudada por diversos pesquisadores, tanto

em trabalhos experimentais como em trabalhos teóricos.

Costa Junior e Barbassa (2006) pesquisaram as possibilidades de aplicação de

microrreservatórios e pavimentos permeáveis em lotes localizados em sub-bacias

hidrográficas urbanas da Ponte Seca (SBHUPS), situadas em Jaboticabal – SP. Avaliaram

quantos lotes atendiam simultaneamente a aplicação das duas medidas de controle sob o ponto

de vista da aceitação dos moradores para a sua instalação, e de parâmetros relevantes e

apropriados à sua implantação (tipo de solo, nível freático, profundidade da camada

permeável, áreas livres, topografia e custos). Foram avaliados 164 lotes, com áreas variando

entre 160 e superiores a 1500m², tendo sido consideradas suas taxas de ocupação (TO) e taxa

de impermeabilização (TOI) sendo de mais de 80% a aceitação dos moradores para a

implantação das duas medidas, mesmo aqueles não atingidos por enchentes.

Campos (2008) analisou o comportamento hidrológico de lotes experimentais reais

submetidos a usos e ocupações diferenciadas. Para isto, foram implantados três lotes pilotos

com 360m² de área, sendo um lote mantido em condições naturais, sem qualquer edificação,

outro recebeu impermeabilização de 75% da área, e o terceiro, instalaram-se dois

microrreservatórios com volume útil de 1,5m². O autor observou pela análise visual dos

hidrogramas que a presença de mircorreservatório no lote sustentável abateu as vazões

consideravelmente em relação ao convencional, com consequente sensível redução do

coeficiente de escoamento superficial médio de 0,72 (lote convencional) para 0,10 (lote

sustentável). O tempo de retardamento do lote convencional foi aproximadamente um terço

do lote sustentável devido ao efeito dos microrreservatórios.


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2.4.1 Infiltração: trincheiras de infiltração, poços de infiltração e planos de

infiltração

O objetivo dos dispositivos de infiltração é criar espaços que favoreça a infiltração da

água da chuva no solo de forma a reduzir e retardar o escoamento pluvial. Uma das vantagens

com relação às detenções é a capacidade de reduzir tanto as vazões como os volumes

escoados superficialmente, podendo contribuir também para a retenção e controle de

poluentes e para recarga de águas subterrâneas. Por esses motivos, esses dispositivos são

capazes de recuperar de forma mais efetiva as condições naturais de pré-urbanização (Silva,

2006).

As trincheiras de infiltração são dispositivos de drenagem do tipo controle na fonte etêm seu principio de funcionamento no armazenamento da água por um tempo suficiente para

a sua infiltração no solo. Elas funcionam como um reservatório convencional de

amortecimento da infiltração de cheias, tendo um desempenho melhorado devido ao

favorecimento da infiltração e consequentemente redução dos volumes escoados e das vazões

máximas de enchentes Balades et. al., (1998), apud por Cruz, Araujo e Souza (1999). Na

Figura 2.4 está representada sua estrutura e esquema construtivo.

Figura 2.4 – Trincheira de infiltração de Schueler, segundo Cruz, Araújo e Souza (1999).

Embora esses elementos possuam eficiência comprovada no controle do escoamento

superficial, várias dificuldades ainda podem limitar seu uso. Pode-se destacar, por exemplo,

aspectos de planejamento e estratégia de implantação, como a exigência de poucos estudos


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sobre os custos de implantação, operação e manutenção que possibilitem a avaliação pelo seu

interesse econômico; ausência de indicações, parâmetros e critérios seguros para

dimensionamento e projetos dos dispositivos, levando ao uso de critérios conservadores e, por

consequência, ao superdimensionamento das estruturas (Souza, 2002). Cabe ressaltar que

essas dificuldades se estendem aos elementos de infiltração de forma geral.

Os poços de infiltração ocupam áreas relativamente pequenas e podem ser bem

integrados ao espaço urbano. É uma solução bastante apropriada para locais onde a camada de

solo superficial é pouco permeável, mas possui capacidade de infiltração significativa nas

camadas mais profundas. O inconveniente dessas soluções é a necessidade de manutenção

frequente para evitar redução de vida útil pelo processo de colmatação (Silva, 2006).

Segundo o autor, os planos de infiltração são, geralmente, áreas naturais, comogramados laterais, utilizados para a disposição da precipitação de uma área impermeável,

como residências ou edifícios. Essas áreas podem ficar submersas, caso a sua capacidade de

infiltração seja muito inferior à intensidade de precipitação. Cuidados devem ser tomados nos

casos em que o escoamento de contribuição transporta muito material fino, pois a capacidade

de infiltração pode ficar reduzida devido à colmatação, causando a falha da estrutura. A

Figura 2.5 exemplifica esses dispositivos.

Figura 2.5 – Plano de infiltração. Fonte: Milograna (2001).

Lima (2009) avaliou, para eventos de chuvas simuladas, o comportamento hidráulico

de uma trincheira de infiltração experimental instalada na EESC/USP e propôs uma novametodologia de dimensionamento para trincheiras de infiltração. Os resultados demonstraram


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que a trincheira de infiltração é eficiente, controlando 100% do volume escoado, mesmo para

chuvas com intensidades superiores aos projetos de microdrenagem. Verificou-se também que

o modelo de Green-Ampt, utilizado no estudo, ajustou-se bem ao processo de infiltração

horizontal. Portanto, a metodologia de dimensionamento proposta contribuiu de forma

eficiente e economicamente eficaz para o dimensionamento de dispositivos de infiltração.

2.4.2 Superfícies permeáveis

As superfícies permeáveis estão incluídas na modalidade de dispositivos de infiltração.

Elas consistem, geralmente, em estruturas simples sob o ponto de vista construtivo e sãodestinadas a reduzir diretamente a produção de escoamento pluvial, fazendo infiltrar parte da

chuva precipitada sobre sua superfície. As soluções podem aproveitar as próprias condições

naturais do solo local para promover a infiltração da chuva, ou serem providas de estruturas

construídas artificialmente (Silva, 2006).

O uso das superfícies permeáveis caracteriza-se por ser de fácil execução, pois inclui o

uso de várias alternativas, incluindo as estruturas formadas de material granular, superfícies

cobertas por vegetação, e, também, a aplicação de revestimentos permeáveis sob a forma de blocos modulares ou pavimentos permeáveis. Os avanços tecnológicos na produção desses

materiais e a boa integração ao ambiente urbano vêem impulsionando a sua utilização,

caracterizando-se como uma alternativa bastante atrativa.

A utilização de blocos modulares e pavimentos permeáveis constituem uma alternativa

onde a precipitação é desviada através de uma superfície permeável para camadas de solo

subjacentes. Geralmente, essas camadas subjacentes são compostas por uma camada de areia

sobreposta a uma camada de material granular, como brita. Essa última funciona como umreservatório de armazenamento. Quando esse reservatório é incluído na estrutura do

revestimento, ele é dimensionado para acomodar o volume de escoamento de uma chuva de

projeto menos o volume infiltrado durante a chuva (Silveira, 2003). A Figura 2.6 mostra a

utilização de superfícies permeáveis em estacionamentos.


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Figura 2.6 – Superfície de blocos vazados utilizada em um estacionamento da Universidade

Federal de Mato Grosso (UFMT).

Os pavimentos permeáveis são divididos, normalmente, em duas modalidades: asfalto

poroso e concreto poroso (Urbonas; Stahre, 1993). Esses materiais apresentam características

construtivas semelhantes ao pavimento convencional. A diferença está na eliminação do

material fino da sua composição.

Os revestimentos modulares são compostos por blocos individuais fabricados

normalmente em concreto com diversas formas geométricas, podendo ser completamente

maciços ou possuir uma área vazada. Estes, por sua vez, podem ter a sua área vazada

preenchida com areia, pedregulho ou vegetação rasteira.

As superfícies permeáveis diferenciam-se dos pavimentos permeáveis pela ausência

dos reservatórios de pedra. A capacidade de infiltração das superfícies permeáveis tende a ser

menor do que os pavimentos permeáveis, e elas são dependentes da boa condição para

infiltração do solo no local. Urbonas e Stahre (1993) alertam para o cuidado com tráfego pesado sobre os pavimentos de blocos de concreto vazados preenchidos com material

granular, pois segundo estes autores, alguns blocos podem afundar e se alinhar de forma

errada. A Figura 2.7 apresenta o detalhe da estrutura.


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Figura 2.7 – pavimento permeável. Fonte: Urbonas e Stahre (1993).

Alguns benefícios provenientes da utilização de superfícies permeáveis são: redução

considerável da vazão e do volume escoado sobre revestimentos pavimentados; possibilidade

de serem utilizados em áreas já urbanizadas; diminuição da dimensão do sistema de drenagem

pluvial; dentre outras. Urbonas e Stahre, (1993) enfatizam que o uso de revestimentos

permeáveis constitui uma forma de sistema de drenagem urbana sustentável, que permite

atenuar o pico do escoamento superficial enquanto preserva o valor da área urbanizada.Vários trabalhos foram realizados no Brasil nos últimos anos, de modo a avaliar o

comportamento destas estruturas face ao seu funcionamento. Na maioria das vezes, observa-

se a boa eficiência global desse tipo de solução, mostrando ser essa uma solução viável para o

controle do escoamento na fonte. Em seguida os resultados de alguns trabalhos desenvolvidos

são descritos com maiores detalhes.

Silva e Campana (2004) realizaram ensaios preliminares em superfícies com grama e

blocos vazados. As parcelas tinham dimensões de 1,95m de comprimento por 1m, com

declividade de 4%. Em um evento em 07/02/2004 com precipitação média de 0,26mm/min, o

coeficiente de escoamento para o bloco vazado foi de 0,01 e para a grama de 0,003. Estes

valores indicam uma enorme eficiência dessas superfícies para o controle de escoamento

superficial. Entretanto, deve-se ressaltar que nesses experimentos as superfícies não sofreram

efeitos de compactação e colmatação.

Acioli et al., (2003) apresentaram os resultados de seis meses de monitoramento de

uma área de estacionamento com 260m² na cidade de Porto Alegre, Brasil, construída com

dois tipos de revestimentos permeáveis: asfalto poroso e blocos vazados de concreto. Cada

tipo de revestimento foi construído sobre um reservatório de pedras. O monitoramento


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permitiu analisar o volume escoado superficialmente e o armazenamento no reservatório. Os

resultados obtidos apontaram para o bom desempenho hidráulico de ambos os pavimentos,

com valores baixos de escoamento superficial e armazenamento máximo no reservatório,

apesar da baixa capacidade de infiltração do solo subjacente. Para uma precipitação total

observada de 115mm e 59 minutos de duração, o pavimento de asfalto poroso apresentou um

valor de coeficiente de escoamento de 0,07, enquanto que para o revestimento com blocos

vazados esse valor foi de 0,09. Verificaram-se, entretanto, valores baixos para taxas de

infiltração no solo subjacentes, não ultrapassando 4mm/h.

Moura (2005) realizou estudos em parcelas experimentais com o objetivo de avaliar e

medir o escoamento superficial e a taxa de infiltração observada em três tipos de superfícies

permeáveis, além de uma análise comparativa do desempenho dessas superfícies com relaçãoà superfície gramada tomada como referência. Os resultados obtidos mostraram que o chão

batido fez com que o coeficiente de escoamento aumentasse quase quatro vezes em relação à

superfície gramada. Quanto aos blocos maciços, o impacto no escoamento chegou a ser de

quase seis vezes o da superfície gramada e após a colmatação por sedimentos e a passagem de

veículos, a infiltração para as superfícies de blocos maciços e vazados sofreu significativa

redução a ponto de aumentar em quase sessenta vezes o coeficiente de escoamento

superficial.Silva (2006) apresentou um estudo experimental com o objetivo de verificar a

eficiência de diferentes tipos de superfícies permeáveis em relação ao controle na geração do

escoamento superficial. Quatro tipos de superfícies foram avaliados, com destaque para duas

alternativas de revestimentos permeáveis: superfície com grama, solo exposto, revestimento

com blocos de concreto maciços, revestimento com blocos de concreto vazados. Os resultados

mostraram uma eficiência expressiva do revestimento com blocos vazados (com coeficientes

de escoamento inferiores a 0,35), mesmo com a compactação do seu substrato e aumento dadeclividade longitudinal. Por outro lado, a superfície com blocos maciços apresentou uma

redução significativa de eficiência com a compactação do substrato e aumento da declividade.


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2.5 Considerações teóricas

2.5.1 Infiltração de água no solo

A infiltração é definida como a entrada de água no solo através da interface solo-

atmosfera. O termo taxa de infiltração refere-se à quantidade de água que atravessa a unidade

de área da superfície do solo por unidade de tempo. Durante o processo de infiltração, estando

o solo inicialmente seco, a taxa de infiltração tende a decrescer com o tempo, atingindo um

valor final constante (Bernardo 2006). Esse valor constante, denominado de taxa de

infiltração estável, é um importante atributo para a elaboração de projetos de irrigação, de

drenagem, conservação do solo, entre outros. No entanto, conforme relatam Urchei e Fietz(1999), seu valor geralmente apresenta grande variabilidade, o que pode implicar em

problemas, sobretudo quando é adotado um valor não representativo da área de interesse. As

principais causas dessa variabilidade estão relacionadas às propriedades do solo e da água,

além do método utilizado para sua determinação.

A taxa de infiltração é definida como a taxa de variação da infiltração acumulada ao

longo do tempo, sendo representada pela equação 2.1.

= (2.1)

Em que:

= taxa de infiltração da água no solo, LT-1, = infiltração acumulada, L, = tempo, T.

Assim, a partir de dados de lâmina de água infiltrada em intervalos de tempos

conhecidos, determinados no campo para as condições desejadas é possível construir modelos

de I em função de .A redução da taxa de infiltração com o tempo pode ser compreendida a partir da

aplicação da equação de Darcy às condições de escoamento em meio não saturado, como

mostrado na Equação 2.2.

= − ( + ) (2.2)


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Em que:

= densidade de fluxo LT-, = condutividade hidráulica do solo para um teor de umidade, LT-, = potencial matricial da água no solo, L-, = potencial gravitacional da água no solo, L;

No inicio do processo, o valor da profundidade da frente de umedecimento é pequeno.

Desta forma, o valor resultante do gradiente hidráulico será muito elevado e, portanto, uma

taxa de infiltração alta. Com o tempo, o valor de Z vai aumentando até que, para elevados

tempos após o inicio do processo de infiltração, o valor do gradiente + / vaitendendo a 1 e, consequentemente, a taxa de infiltração tende a um valor aproximadamente

igual à condutividade hidráulica do solo saturado.

A estimativa da taxa de infiltração no solo é condicionante para determinar a

repartição da precipitação em infiltração e escoamento superficial, a celeridade de penetração

da frente de umedecimento no solo e a lâmina em projetos de irrigação (Lima e Silans, 1999).

Segundo Cabena (1984) a taxa de infiltração de água no solo é talvez, isoladamente, a

propriedade que melhor reflete as condições físicas gerais do solo, sua qualidade e

estabilidade estrutural.O conceito de capacidade de infiltração deve ser aplicado no estudo da infiltração para

distinguir a potencialidade que o solo tem de absorver água pela superfície da taxa real de

infiltração (Silveira; Louzada; Beltrame, 2000). Segundo Villela e Mattos (1975) e Hillel

(1980) a capacidade de infiltração de água representa a vazão máxima por unidade de área e

por unidade de tempo capaz de atravessar a superfície do solo caso um excesso de água fosse

aplicado. Para Costa et al. (1999), das características do solo, a capacidade de infiltração é

uma das principais, pois reflete a capacidade máxima que o solo tem em permitir a entrada deágua no seu interior, sob determinadas condições, tornando-se um dos parâmetros mais

importantes que afetam a irrigação.

Quando uma precipitação atinge o solo com intensidade menor que a capacidade de

infiltração, toda água infiltra no perfil do solo a uma taxa igual à intensidade da precipitação,

causando uma redução progressiva na capacidade de infiltração devido ao umedecimento do

solo. Persistindo a aplicação de água, a partir de um tempo t = tp (tempo de empoçamento), a

taxa de infiltração passa a se processar nas mesmas taxas da curva de capacidade de

infiltração, passando a decrescer com o tempo, tendendo para um valor aproximadamente

constante após longo período de tempo, caracterizado como a condutividade hidráulica do


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solo saturado (K 0), caso não haja aprisionamento de ar nos poros do solo, também

denominada de taxa de infiltração estável (Figura 2.8) (Pruski et al., 1997; Brandão et al.,

2006). Dados de taxa de infiltração estável são imprescindíveis nos modelos utilizados para a

descrição da infiltração de água no solo (Alves Sobrinho et al., 2003).

Figura 2.8 - Curva representativa da capacidade de infiltração (CI) e da taxa de infiltração (Ti)

em função do tempo sob condições de precipitação constante (ip); Ko equivale à taxa de

infiltração estável e tp é o tempo de empoçamento da água na superfície do solo.

2.5.2Modelos de Infiltração

Existem diversos modelos que procuram descrever a infiltração através do tempo.

Entre os principais modelos existentes, têm-se os de Horton e Philip, que são equações para

cálculo da infiltração pontual. O modelo de Horton apresenta três parâmetros empíricos, que

são mostrados na equação 2.3.

= + − . − (2.3)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

I n f i l t r a ç ã o

Tempo

Tempo de Empoçamento (tp) Taxa de Infiltração Estável (Tie)

Capacidade de Infiltração (CI) Regime de precipitação contante (ip)

Taxa de Infiltração (Ti)


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Em que:

= capacidade de infiltração no tempo t (mm/h), = capacidade de infiltração final (mm/h), = capacidade de infiltração inicial (mm/h), = constante que representa a taxa de decréscimo na capacidade (L/h), = tempo decorrido (h);

A aplicação do modelo de Horton só é possível quando a intensidade de precipitação

se apresentar superior à capacidade de infiltração da superfície. Os parâmetros , e devem ser determinados usando-se dados observados de infiltração (Rawls et al., 1993).

O modelo de Philip é o resultado da resolução analítica da equação de Richards, tendocomo resultado a Equação 4.

= 12 −1

2 + (2.4)

Em que:

= infiltração no tempo t (mm/h),

= parâmetro de absorção do solo (mm/h1/2

), = condutividade hidráulica (mm/h), = tempo decorrido (h);

A equação de Philip tem embasamento físico e um dos possíveis métodos para se

determinar os parâmetros e realizam-se ensaios de campo com infiltrômetros (Righetto,1998).

2.5.3 Métodos para determinação da infiltração de água no solo

Existem diversos métodos para a determinação da infiltração de água no solo. Dentre

eles, destacam-se os infiltrômetros de aspersão ou simuladores de chuva (Alves Sobrinho,

1997), os infiltrômetros de cilindros concêntricos (Bernardo, 2006), os permeâmetros

(Reynolds; Vieira; Topp, 1992), os infiltrômetros de tensão ou permeâmetros de disco (Borges

et al., 1999), os infiltrômetros de pressão Reynolds; Vieira; Topp, 1992).

Métodos que não consideram o impacto da gota da chuva podem superestimar a


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infiltração da água, gerando problemas de erosão do solo. Em geral, quando se utiliza o

infiltrômetro de aspersão para determinação da infiltração de água no solo, são menores os

valores estimados para a taxa de infiltração estável em relação aos obtidos com métodos (Pott;

De Maria, 2003).

A determinação da infiltração de água no solo deve ser feita por métodos simples e

capazes de representar, adequadamente, as condições em que se encontra o solo. Para tanto,

torna-se necessário adotar métodos, cuja determinação baseia-se em condições semelhantes

àquelas observadas durante o processo pelas condições de superfície e conteúdo de umidade

do solo (PRUSKI et al., 1997).

2.5.4 Simulador de chuvas

Infiltrômetros de aspersão ou simuladores de chuva são ferramentas de pesquisa

projetadas para aplicar precipitações de água de forma similar às chuvas naturais. Contudo, as

características da chuva devem ser simuladas adequadamente, os dados de escoamento

superficial analisados cuidadosamente e os resultados, interpretados de maneira sensata, para

que sejam obtidas, informações de confiança para as condições em que as chuvas simuladassão aplicadas (Silveira; Salvador, 2000).

A estimativa da taxa de infiltração estável, através do uso de chuva natural, é onerosa e

demorada. Em decorrência disso, a pesquisa na área de engenharia e conservação do solo e da

água, enfatiza o uso de equipamentos denominados infiltrômetros de aspersão ou simuladores

de chuva, que permitem controlar as características relativas à intensidade, duração e

frequência da precipitação para se medir a infiltração no campo e ajustar modelos

matemáticos que descrevem a infiltração de água em diferentes condições de solo e/ousistemas de cultivo (Panachuki, 2003).

Segundo Moore, Hirschi e Barfield, (1983), o simulador de chuvas deve permitir o

ajuste das características da precipitação, ou seja, intensidade e duração. Para isso, deve

permitir o ajuste de uma ampla faixa de intensidades de precipitação de modo a reproduzir as

características da chuva da região geográfica em questão.

Para que um infiltrômetro tipo simulador de chuvas seja considerado satisfatório, é

necessário que ele preencha às seguintes condições:

a) apresentar relação entre a energia cinética da precipitação simulada e aquela

chuva natural acima de 75% (Meyer; Mccune, 1958);


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b) aplicar água de modo contínuo na parcela experimental ou, no mínimo,

executar duas aplicações por segundo, compondo assim uma aplicação não

intermitente (MORIN; VAN WINKEL., 1996);

c) permitir o uso de parcela experimental com área superior a 0,50m²,

caracterizada como parcela alvo de precipitação, pois experimentos cuja área

útil é inferior a 0,50m² estão sujeitos a resultados tendenciosos (SMITH, 1976).


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3. OBJETIVOS

3.1 Objetivo geral

Este trabalho tem como objetivo avaliar experimentalmente e comparar a eficiência de

superfícies na redução do escoamento superficial na fonte.

3.2 Objetivos específicos

Determinar a taxa de infiltração estável (Tie) e tempo de empoçamento (ti) nos cincotipos de revestimentos estudados;

Aplicar o modelo teórico de Horton aos dados observados;

Determinar o escoamento superficial e o coeficiente de escoamento nos cinco tipos de

revestimentos estudados;

Analisar a influência da intensidade e do tempo da precipitação sobre o escoamento

superficial em diferentes tipos de superfícies permeáveis;

Comparar os valores de coeficiente de escoamento com a literatura;


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4. MATERIAL E MÉTODOS

O trabalho envolveu a construção de uma unidade experimental constituída por quinze

módulos de 0,7m², sob os quais foram realizadas chuvas artificiais com simulador. As parcelas

construídas representam cinco tipos diferentes de revestimentos.

O comportamento hidrológico dos dispositivos implantados foi analisado por meio de

balanço hídrico obtido entre o volume precipitado e a estimativa da vazão escoada

superficialmente, o que permitiu realizar a análise da taxa de infiltração.

O estudo experimental envolveu, fundamentalmente, o desenvolvimento de cinco

etapas, executadas na seguinte sequência:

Delineamento das superfícies a serem estudadas; Escolha do local de implantação da unidade experimental na área de estudo;

Construção da unidade experimental;

Calibração do equipamento simulador de chuvas;

Realização dos testes.

Os itens seguintes descrevem em detalhes as etapas desenvolvidas.

4.1 Delineamento das superfícies estudadas

O trabalho envolveu o estudo de cinco tipos diferentes de superfícies: (i) blocos de

concreto vazados; (ii) blocos de concreto maciços; (iii) concreto convencional; (iv) solo

exposto; (v) solo gramado.

i.

Blocos de concreto vazados: foram construídas três parcelas revestidas com blocos deconcreto vazados preenchidos com material granular (areia), com declividade de 2 %.

O material utilizado é constituído de blocos de concreto industrializados tipo bujão

com seis centímetros de espessura, o qual permite a infiltração da água pelo orifício

que se forma após a sua instalação.

ii. Blocos de concreto maciços: foram construídas três parcelas revestidas com blocos de

concreto maciços preenchidos com material granular (areia), com declividade de 2 %.

O material utilizado é constituído de blocos de concreto industrializados tipo prisma

com seis centímetros de espessura, são intertravados de forma a permitir a infiltração

da água apenas pelas juntas existentes entre os blocos.


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iii. Concreto convencional: foram construídas três parcelas com blocos de concreto

maciços revestidas com concreto convencional de cimento, areia e brita, com

declividade de 2%.

iv. Solo exposto: foram construídas três parcelas com solo exposto sob condições normais

de compactação

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