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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM PLUVIAL UTILIZANDO MÉTODOS DE BAIXO
IMPACTO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Lucas Camargo da Silva Tassinari
Santa Maria, RS, Brasil
2014
DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM PLUVIAL UTILIZANDO MÉTODOS DE BAIXO
IMPACTO
por
Lucas Camargo da Silva Tassinari
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Civil
da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para a obtenção do grau de
Engenheiro Civil
Orientadora: Profª. Drª. Rutinéia Tassi
Santa Maria, RS, Brasil 2014
Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia
Curso de Engenharia Civil
A comissão examinadora, abaixo assinada, aprova o trabalho de conclusão de curso
Dimensionamento de Sistemas de Drenagem Pluvial Utilizando Métodos de Baixo Impacto
elaborado por Lucas Camargo da Silva Tassinari
Como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Civil
COMISSÃO ORGANIZADORA
_______________________________ Rutinéia Tassi, Drª.
(Presidente/Orientadora)
__________________________________ Geraldo Lopes da Silveira, Dr.
(UFSM)
___________________________________ Débora Missio Bayer, Drª.
(UFSM)
Santa Maria, junho de 2014.
AGRADECIMENTOS
Registro aqui os meus mais sinceros agradecimento às pessoas que influenciaram
tanto neste trabalho como na minha formação profissional e pessoal ao longo dos últimos
anos. Nessas diferentes etapas percorridas, famílias foram sendo criadas e outras foram
simplesmente se aproximando, e sou muito grato por ter convivido com todas elas.
Dessa forma, agradeço às famílias Camargo e da Silva, em especial à minha mãe,
que muito me ensinou e de quem herdei amor especial pela vida.
Agradeço à família Tassinari, em especial ao meu pai, que me passou valores que
nortearam a ideia de homem que busco ser.
Agradeço à minha companheira Graziela por servir de motivação ao longo dessa
jornada, pelo abrigo nos momentos de exaustão, pelo companheirismo nos inúmeros
momentos alegres que vivemos e que virão.
Agradeço à família Tassi-Allasia pelo acolhimento e orientação, sendo esta técnica,
literária, musical, humana, dentre outros conhecimentos necessários ao sucesso de
qualquer profissional, cientista, ou qualquer pessoa de bem que busque a felicidade.
Agradeço aos amigos e colegas do curso de engenharia civil, com os quais aprendi e
errei muito, da melhor maneira possível, com aquele erro errado, que resulta num
aprendizado incrível e divertido, que me acompanhará por toda a vida. Agradeço a esses
pela convivência diária, pelos bons momentos, pelos bons sentimentos (mesmo que
sentidos à distância).
Agradeço aos amigos do Ecotecnologias pela parceria, pelos cafés, refrigerantes
com baixo teor de sódio, por terem tornado a atividade da pesquisa tão prazerosa e
recompensadora (mesmo nas ocasiões de dor física).
Agradeço aos professores da Universidade Federal de Santa Maria pelos
conhecimentos transmitidos. Todos são responsáveis pelo meu crescimento pessoal e
profissional e serão lembrados para sempre como aqueles que me ensinaram a aprender
engenharia.
Agradeço aos amigos de sempre por serem os amigos de sempre. Por mais que
passe o tempo, por mais que nos afastemos, os amigos de sempre fazem com que vejamos
o melhor de nós mesmos, a partir de um simples encontro, ou uma simples recordação.
Gostaria ainda de agradecer à equipe do Departamento de Esgotos Pluviais de Porto
Alegre, em especial à Engª Daniela Bemfica, ao Eng. Stanlei do Amaral e à Engª. Magda
Carmona, que forneceram informações que subsidiaram este trabalho.
“Não gosto muito de definições, mas se há uma para liberdade é controlar a
realidade e modificá-la de acordo com a sua vontade. Não dá para pedir mais que
isso na vida.”
Mark Knopfler
RESUMO
Trabalho de Conclusão de Curso Curso de Engenharia Civil
Universidade Federal de Santa Maria
DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM PLUVIAL UTILIZANDO MÉTODOS DE BAIXO IMPACTO
Autor: Lucas Camargo da Silva Tassinari
Orientadora: Rutinéia Tassi Data e local da defesa: Santa Maria, junho de 2014
As enchentes urbanas apresentam-se como grandes causadoras de prejuízos
para a sociedade, resultado da falta de planejamento urbano em relação ao uso do
solo e da água. No final dos anos 90, passou-se a reconhecer a importância do solo
e da vegetação no controle quali-quantitativo de águas pluviais e, com isso, surgiram
técnicas conhecidas como LID – Low Impact Development – e BMP – Best
Management Practices, que visam o controle do escoamento superficial junto à fonte
geradora de escoamento, diminuindo volumes e vazões a valores próximos àqueles
antes da urbanização do local. Dentro dessa ideia, este trabalho apresenta técnicas
alternativas às convencionais para a drenagem das águas pluviais, com suas
características e metodologias de dimensionamento. Para verificação da
aplicabilidade destas técnicas de baixo impacto, é apresentado um estudo de caso,
que envolveu o dimensionamento e simulação no modelo SWMM de um sistema de
drenagem pluvial para um loteamento na cidade de Porto Alegre – RS. Concluiu-se
que há grande dificuldade em utilizar dispositivos LID na cidade de Porto Alegre
devido às suas características pedológicas e geológicas. Mesmo assim, conseguiu-
se controlar toda a vazão gerada sem o uso de tubulações no sistema de
microdrenagem, transferindo a jusante apenas as vazões comportadas pelo sistema
de drenagem existente. Ao analisar o modelo SWMM, concluiu-se que este não é
recomendado para representar processos de pequena escala, pois ao realizar
simulações em pequenas áreas, as vazões resultam muito pequenas, e o modelo
produziu erros de truncamento/estabilidade numérica.
Palavras chave: LID, SWMM, drenagem na fonte.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Área de biorretenção utilizada em um estacionamento no Condado
de Stanfford, VA, EUA. Fonte: US EPA, 2010b ......................................................... 17
Figura 2. Pavimento permeável em Chicago, IL, EUA, para possibilitar a
infiltração da água no solo. Cortesia de David Leopold. Fonte: US EPA, 2010b ...... 18
Figura 3. Barril de chuva utilizado em Santa Mônica, CA, EUA, para
proporcionar o uso de água da chuva e para reduzir a poluição que é levada pelo
escoamento superficial até a praia. Fonte: US EPA, 2010b ...................................... 18
Figura 4. Trincheira de infiltração. Adaptado de: FHWA, 2001 ....................... 19
Figura 5. Detalhes do Valo de Infiltração com Trincheira de Percolação
auxiliar. Adaptado de: Urbonas e Stahre, 1993 (apud PMPA/IPH, 2005) ................. 22
Figura 6. Bacia de detenção em Porto Alegre a céu aberto com e sem
infiltração. Fonte: Allasia, Tassi e Gonçalves, 2011 .................................................. 23
Figura 7. Contorno do loteamento sobre imagem de satélite. Adaptado de:
Google Earth ............................................................................................................. 26
Figura 8. Loteamento em condição de pré-ocupação. As linhas azuis indicam
o fluxo natural de água Sem escala. ......................................................................... 30
Figura 9. Perfil viário para via local dentro do loteamento. Fonte: PMPA, 2010
.................................................................................................................................. 31
Figura 10. Perfil viário para via alternativa dentro do loteamento. Fonte:
PMPA, 2010 .............................................................................................................. 31
Figura 11. Figura meramente demonstrativa da modelagem no SWMM. As
ampulhetas representam vertedores ou orifícios, os quadrados em preto
representam o centro de massa das sub-bacias e os quadrados em preto sobre os
reservatórios de detenção e infiltração representam dispositivos de reservação de
água .......................................................................................................................... 41
Figura 12. Vista geral do loteamento (sem escala), sendo T as trincheiras de
infiltração, MR os microrreservatórios, V os valos de infiltração e BD as bacias de
detenção.................................................................................................................... 45
Figura 13. Planta baixa do quadrante superior esquerdo do loteamento........ 46
Figura 14. Planta baixa do quadrante superior direito do loteamento ............. 47
Figura 15. Planta baixa do quadrante inferior esquerdo do loteamento.......... 48
Figura 16. Planta baixa do quadrante inferior direito do loteamento ............... 49
Figura 17. Detalhe dos obstáculos necessários aos Valos de Infiltração
quando a declividade for superior a 2%. Adaptado de: Urbonas e Stahre, 1993 (apud
PMPA/IPH, 2005) ...................................................................................................... 53
Figura 18. Esquema da simulação hidrológica das bacias de detenção no
IPHS-1 ....................................................................................................................... 57
Figura 19. Valo de Infiltração (V1), o qual manteve o caminho natural das
água (representação em planta) ............................................................................... 64
Figura 20. Perspectiva do local de implantação do valo de infiltração V1 ...... 64
Figura 21. Via sem saída com presença de trincheiras de infiltração junto ao
meio-fio...................................................................................................................... 65
Figura 22. Imagem com diferentes dispositivos em um mesmo ambiente
trabalhando de forma integrada ................................................................................ 65
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Distribuição dos Grupos Hidrológicos na cidade de Porto Alegre.
Fonte: Gonçalves, Silva e Risso, 2007 ...................................................................... 26
Tabela 2. Valores do CN determinado para cada Grupo Hidrológico. Adaptado
de: TR-55, 1986 (apud SARTORI; GENOVEZ; LOMBARDI NETO, 2005) ............... 27
Tabela 3. Valores típicos de taxa de infiltração por grupo hidrológico. Fonte:
PMPA/IPH, 2005 ....................................................................................................... 28
Tabela 4. Condutividade hidráulica saturada para diferentes tipos de solo.
Adaptado de: Urbonas e Stahre, 1993 ...................................................................... 33
Tabela 5. Porosidade específica de típicos materiais rochosos. Fonte:
Urbonas e Stahre, 1993 ............................................................................................ 33
Tabela 6. Dados das trincheiras de infiltração ................................................ 51
Tabela 7. Dados dos microrreservatórios ....................................................... 54
Tabela 8. Características das bacias de detenção implantadas no loteamento
.................................................................................................................................. 58
Tabela 9. Dados das Bacias de Detenção - eventos com 24 horas de duração
.................................................................................................................................. 59
Tabela 10. Resultados do SWMM e do IPHS-1 para as bacias de detenção . 62
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA.............................................................. 5
2 OBJETIVOS ................................................................................................ 7
2.1 Objetivo geral ............................................................................................. 7
2.2 Objetivos específicos .................................................................................. 7
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 8
3.1 Hidrologia Urbana e os Impactos da Urbanização ..................................... 8
3.2 Sistemas de Drenagem: concepção, evolução e conceitos atuais ............. 9
3.2.1 Drenagem convencional: conceito higienista ................................. 9
3.2.2 Melhores Práticas de Gestão – BMP............................................ 10
3.2.3 Desenvolvimento Urbano de Baixo Impacto - LID ........................ 12
3.3 Modelagem computacional como ferramenta auxiliar ao dimensionamento
de redes de drenagem – Modelo SWMM .................................................................. 15
3.4 Dispositivos LID e BMP utilizados neste trabalho..................................... 17
3.4.1 Barris de Chuva (ou Microrreservatórios) ..................................... 19
3.4.2 Trincheira de infiltração ................................................................ 20
3.4.3 Valos de Infiltração ....................................................................... 20
3.4.4 Bacias de Detenção ..................................................................... 23
4 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................ 25
4.1 Local de estudo ........................................................................................ 25
4.2 Definição da configuração urbanística do loteamento .............................. 29
4.3 Métodos de dimensionamento dos dispositivos LID e BMP ..................... 31
4.3.1 Microrreservatório – Decreto Nº 15.371 (PMPA, 2006) ................ 34
4.3.2 Bacia de Detenção (e Infiltração) – Silveira e Goldenfum (2007) . 35
4.3.3 Bacia de Detenção – Método simulação de Puls, Tucci (2005) ... 36
4.3.4 Valo de Infiltração – CIRIA (1996) ................................................ 38
4.3.5 Trincheira de Infiltração – Urbonas e Stahre (1993) ..................... 38
4.4 Definição da máxima vazão efluente do loteamento ................................ 39
4.5 Simulação no modelo SWMM do sistema de drenagem com o uso de
técnicas de baixo impacto ......................................................................................... 40
5 RESULTADOS .......................................................................................... 44
5.1 Trincheiras de Infiltração .......................................................................... 50
5.2 Valos de Infiltração ................................................................................... 52
5.3 Bacia de Infiltração ................................................................................... 53
5.4 Microrreservatórios ................................................................................... 54
5.5 Capacidade de drenagem a jusante do loteamento ................................. 55
5.6 Bacias de Detenção ................................................................................. 56
5.7 Resultados e análise dos resultados da modelagem no SWMM .............. 60
5.8 Projeto final............................................................................................... 63
6 CONCLUSÕES ......................................................................................... 66
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................... 69
5
1 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA
As enchentes urbanas apresentam-se como grandes causadores de prejuízos
para a sociedade, resultado da falta de planejamento urbano em relação ao uso do
solo e da água. As técnicas atualmente conhecidas para projetos de estruturas de
drenagem permitem as mais diversas soluções. Tucci e Genz (1995) citam que o
controle das enchentes urbanas deve ser compreendido como uma atividade na qual
a sociedade deve agir de forma contínua visando à redução do custo social e
econômico dos impactos das inundações. Assim, tornam-se importantes os métodos
de controle de enchentes urbanas que se utilizam de uma visão onde as causas são
combatidas nas suas origens e não somente nas suas consequências (à jusante da
fonte geradora de escoamento).
O método tradicional de drenagem de águas pluviais em áreas urbanas,
seguindo a política de saneamento do início do século XX, consiste em captar e
afastar a água da maneira mais rápida possível da fonte geradora de escoamento
com sistemas de drenagem eficientes, que visam minimizar a proliferação de
doenças (SOUZA; CRUZ; TUCCI, 2012). Contudo, nos últimos anos, têm-se
questionado os impactos ambientais da rápida evacuação das águas para jusante,
uma vez que, com isso, as características quali-quantitativas dos corpos hídricos
receptores dessas águas são alteradas significativamente (URBONAS; STAHRE,
1993).
Dentro desse contexto, é essencial estudar técnicas de drenagem urbana que
minimizem o impacto ambiental e que sejam eficientes quanto ao controle de
escoamento superficial.
Assim, no final dos anos 90, passou-se a reconhecer a importância do solo e
da vegetação no controle quali-quantitativo de águas pluviais e, com isso, buscou-se
promover a infiltração, a evapotranspiração e o contato da água com bactérias e
plantas (SOUZA; CRUZ; TUCCI, 2012). Dentro dessa ideia, surgiram técnicas
conhecidas como LID – Low Impact Development – e BMP – Best Management
Practices, que visam o controle do escoamento superficial junto à fonte geradora de
escoamento, diminuindo volumes e vazões a valores próximos daqueles antes da
urbanização do local, ou, se necessário, a valores próximos a zero.
Neste contexto, este trabalho apresenta um estudo de caso com a aplicação
de técnicas alternativas às convencionais para a drenagem das águas pluviais, com
6
suas características e metodologias de dimensionamento. Para verificação da
aplicabilidade destas técnicas de baixo impacto, foi realizado o dimensionamento e
simulação de um sistema de drenagem pluvial para um loteamento na cidade de
Porto Alegre – RS.
7
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
Avaliar diferentes soluções de drenagem não convencionais para uma área
real, buscando a utilização preferencial de técnicas de baixo impacto, que
contemplem uma maior responsabilidade ambiental e que sejam tecnicamente
viáveis.
2.2 Objetivos específicos
I. Estudar uma microbacia urbana real, analisando o comportamento
hidrológico desta;
II. Estudar técnicas de drenagem urbana alternativas à convencional e
reunir informações que subsidiem a sua aplicação;
III. Utilizando informações do local e regulamentação urbanística real,
projetar um loteamento fictício com definição de suas vias, áreas de
destinação pública e lotes, visando aplicar as técnicas de drenagem
estudadas;
IV. Analisar a adequabilidade das técnicas LID ao loteamento estudado;
V. Reunir informações sobre o software SWMM – Storm Water
Management Model;
VI. Aplicar as técnicas de drenagem utilizadas no loteamento criado com o
auxílio do software SWMM;
VII. Analisar a capacidade do software SWMM em representar processos
de pequena escala a exemplo daqueles envolvidos nas técnicas de
LID.
VIII. Analisar as várias metodologias de dimensionamento dos dispositivos
de controle na fonte estudados.
8
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Hidrologia Urbana e os Impactos da Urbanização
Entende-se hidrologia urbana como o estudo da dinâmica da água no meio
urbano, ou seja, o estudo dos processos hidrológicos nos ambientes afetados pela
urbanização. Limitando-se um pouco esse estudo, analisa-se a drenagem urbana
como sendo um conjunto de medidas que busca a redução dos riscos a que a
população está submetida, a redução dos prejuízos causados pelas inundações e o
desenvolvimento urbano de forma harmônica, articulada e sustentável (PORTO et
al., 2007). Fundamental a esse estudo, busca-se compreender os processos
causadores das enchentes em áreas urbanas, suas origens e consequências.
Para tanto, Neto (2010) apresenta a diferença no comportamento da água da
chuva em cada parte do sistema de drenagem pluvial, antes e após a urbanização.
Segundo ele, o escoamento superficial da água pode ser topograficamente bem
definido ou não. Contudo, após a urbanização, o caminho percorrido pela água
passa a ser determinado pelo traçado das ruas, com o fluxo de água direcionado
através sarjetas até os bueiros. Essa vazão, somada à da rede pública, escoa pelas
tubulações que alimentam os condutos secundários, a partir dos quais se atinge o
fundo do vale, onde o caminho da água é topograficamente bem definido. Assim,
Neto (2010) define que o escoamento no fundo do vale é o que determina o sistema
de macrodrenagem, enquanto que o sistema que capta a água e a conduz até o
sistema de macrodrenagem é denominado sistema de microdrenagem.
Assim, são dois os processos que resultam em inundações em áreas
urbanas, e podem ocorrer de forma integrada ou isolada. O primeiro processo,
conhecido como Inundações em Áreas Ribeirinhas, ocorre devido à ocupação
indevida do leito maior do rio pela população, ficando esta sujeita às enchentes. O
segundo processo, devido à urbanização, resulta da impermeabilização excessiva
do solo, o que aumenta a magnitude e a frequência das cheias. A urbanização pode
ainda ser responsável por produzir obstruções ao escoamento, como, por exemplo,
através da construção de aterros, pontes, drenagem inadequada, ou ainda em
função de entupimentos de condutos e assoreamentos (PMPA/IPH, 2005).
9
O segundo processo tratado, inundações devido à urbanização, é o de maior
interesse para esse trabalho e ocorre devido à excessiva impermeabilização do solo
através de telhados, de ruas e de pátios calçados, entre outros, pois a água que em
um cenário de pré-urbanização infiltrava no solo, recarregava o lençol freático ou
percolava até encontrar um corpo hídrico receptor, não mais o faz. Ainda, aquele
escoamento superficial lento, que ficava retido pelas plantas, devido à urbanização,
passa a escoar através de canais artificiais, condutos, sarjetas, entre outros. Assim,
os principais efeitos da urbanização quanto ao escoamento da água da chuva são o
aumento da vazão máxima, a antecipação do pico e o aumento do volume do
escoamento superficial. Um efeito secundário desse processo é a redução da vazão
no período de estiagem em pequenos rios em função dos aquíferos não serem
recarregados pela diminuição da infiltração da água no solo (TUCCI, 1995).
As enchentes ampliadas pelo processo de urbanização ocorrem geralmente
em bacias de pequeno porte (de alguns quilômetros quadrados). A combinação do
impacto de diferentes aglomerações urbanas produz o aumento da ocorrência de
enchentes a jusante, devido à sobrecarga da drenagem secundária (condutos) sobre
a macrodrenagem. Dessa forma, as consequências da expansão urbana sem
planejamento e regulamentação são sentidas em praticamente todas as cidades de
médio e grande porte no país (TUCCI, 1995). Villanueva et al. (2011) expõem que
um condicionante crítico no Brasil é que frequentemente a drenagem urbana procura
solucionar problemas em áreas total ou parcialmente urbanizadas, e isso limita as
medidas disponíveis, seja por questões físicas (quando não há espaço disponível
para áreas de armazenamento ou infiltração de água), legais (quando o direito
adquirido impede de modificar o que existe no local) ou sociais (quando os morados
não gostam das soluções propostas).
3.2 Sistemas de Drenagem: concepção, evolução e conceitos atuais
3.2.1 Drenagem convencional: conceito higienista
Devido ao processo de urbanização ocorrido a partir do século XIX e ao
avanço do conhecimento na área da saúde, ficou claro o papel sanitário das águas
pluviais como transmissor de doenças. Assim, criou-se o conceito higienista que
previa a rápida evacuação das águas pluviais através de áreas impermeabilizadas e
10
sistemas de condutos artificiais. Ainda, quando se observou a contaminação dos
corpos receptores dessas águas, criaram-se técnicas para dar manutenção à sua
qualidade com o uso de estações de tratamento (SOUZA; CRUZ; TUCCI, 2012).
Allasia, Tassi e Gonçalves (2011) descrevem o engenheiro Saturnino de Brito
como um revolucionário no campo do saneamento dentro do conceito higienista por
apresentar argumentos sólidos a favor do sistema separador absoluto no final do
século XIX (até então, os mesmos condutos transportavam esgotos pluviais e
sanitários em um sistema combinado). Ele adaptou técnicas importadas de
drenagem ao regime pluviométrico tropical e inovou ao apresentar um projeto para a
cidade de Belo Horizonte, com a configuração da cidade respeitando o sistema
natural de drenagem. Gorski (2010, p. 57) descreve a visão abrangente e integrada
dos recursos hídricos do engenheiro Saturnino de Brito ao fazer o plano de
saneamento para a cidade de Santos, no início do século XX, “cuja meta era sanar,
embelezar e prever a expansão da cidade em um único plano”.
Conforme Tucci (1995), existe uma tendência em tentar reduzir os impactos
das cheias devido à urbanização canalizando-se os trechos críticos. Contudo, essa é
uma solução pontual que segue o conceito higienista e penaliza localidades a
jusante com aumento da magnitude e frequência das inundações nesses locais.
3.2.2 Melhores Práticas de Gestão – BMP
Nas últimas décadas, notou-se uma crescente preocupação ambiental e o
surgimento de questionamentos quanto ao impacto nos corpos receptores do
contínuo transporte a jusante das águas pluviais seguindo o conceito higienista. Em
resposta a essas preocupações, segundo Urbonas e Stahre (1993), algumas
comunidades optaram por incentivar o controle da drenagem pluvial na fonte
geradora de escoamento através de métodos compensatório de manejo de águas
pluviais (conhecido como Best Management Practices – BMP, ou Melhores Práticas
de Gestão) que visam compensar os efeitos da impermeabilização das superfícies.
Esses métodos utilizam dispositivos que têm a finalidade de armazenamento
e infiltração, e consideram a bacia hidrográfica como unidade de planejamento.
Allasia, Tassi e Gonçalves (2011) enfatizam que, dentro da abordagem de métodos
compensatórios, aplicam-se dispositivos com objetivos múltiplos, como a utilização
de bacias de detenção, que permitam lazer e recreação, e pavimentos permeáveis,
11
que, além de promoverem infiltração e tratamento de escoamento superficial,
desempenham a sua função de veiculação de automóveis. Esses autores
descrevem ainda que é necessário observar alguns pontos das BMPs no que se
refere à ausência de controle adequado de resíduos sólidos urbanos, esgotos
sanitários e cargas poluidoras presentes no escoamento pluvial. A retenção de água
com qualidade degradada pelos pontos supracitados pode gerar inconvenientes, tais
como doenças de veiculação hídrica e odor desagradável, à população (SOUZA;
CRUZ; TUCCI, 2012).
Porto Alegre – Rio Grande do Sul é uma cidade pioneira na gestão das águas
pluviais (esse é um dos principais motivos da realização deste trabalho utilizando-se
um loteamento nesta localidade), sendo um dos primeiros municípios brasileiros a
implantar um plano diretor de drenagem urbana. Villanueva et al. (2011, p. 7)
registram que os Planos Diretores de Drenagem Urbana de Porto Alegre tiveram
início em 1999, quando o Departamento de Esgotos Pluviais determinou a
elaboração deles visando “definir diretrizes técnicas e ambientais para a abordagem
dos problemas de drenagem da cidade.” Os Planos basearam-se em não transferir
os efeitos da urbanização para jusante na bacia hidrográfica através do uso de
dispositivos de controle de escoamento pluvial, normalmente concebidos com obras
estruturais, sendo por essa razão conhecidos como medidas estruturais.
As medidas estruturais de controle de inundações podem ser classificadas de
acordo com a sua ação na bacia hidrográfica em: na fonte, quando o controle é
realizado no lote; na microdrenagem, quando o controle é realizado sobre o
hidrograma resultante de um ou mais loteamentos, e; na macrodrenagem, quando o
controle é feito sobre hidrogramas nos principais riachos urbanos, galerias, tubos,
entre outros.
O controle na fonte pode utilizar diferentes dispositivos que constituem
métodos compensatórios e que, de acordo com o princípio de funcionamento
(PMPA/IPH, 2005):
Aumentam a área de infiltração, a exemplo de valos, poços e bacias de
infiltração, pavimentos impermeáveis, entre outros;
Armazenam temporariamente a água, a exemplo de bacias de
detenção, captação e aproveitamento de água de chuva, entre outros.
Neste contexto de controle na fonte, um documento importante para a gestão
das águas urbanas no município de Porto Alegre é o Decreto Nº 15.371, de 17 de
12
novembro de 2006, que regulamenta o controle da drenagem urbana (Prefeitura
Municipal de Porto Alegre, 2006). Este documento visa prevenir o aumento das
inundações devido à impermeabilização do solo e canalização dos arroios naturais,
e decreta, entre outros itens, que “toda a ocupação que resulte em superfície
impermeável, deverá possuir uma vazão máxima específica de saída para a rede
pública de pluviais igual a 20,8 L/(s.ha).” (Prefeitura Municipal de Porto Alegre, 2006,
p. 1). Ainda, são estabelecidas regras para a quantificação da área de drenagem a
ser utilizada para se calcular a vazão máxima de saída. O Decreto permite a
redução da área a ser contabilizada quando aplicadas algumas ações
compensatórias.
3.2.3 Desenvolvimento Urbano de Baixo Impacto - LID
Como consequência do estabelecimento de novas aglomerações urbanas,
nota-se que a magnitude das mudanças hidrológicas é amplificada conforme o
armazenamento natural de água é perdido, a quantidade de superfícies
impermeabilizadas aumenta, o tempo de concentração diminui e o grau de
canalizações aumenta. Visando reduzir os impactos da excessiva impermeabilização
do solo, surgiram as técnicas conhecidas como Low Impact Development – LID,
Sustainable Drainage Systems – SUDS, ou Desenvolvimento Urbano de Baixo
Impacto. Essas técnicas procuram alcançar o controle das águas pluviais através da
criação de paisagens hidrologicamente funcionais que imitam o regime hidrológico
natural. Esse objetivo é alcançado através de (PRINCE GEORGES COUNTY, 1999):
Redução dos impactos da água da chuva tanto quanto possível. As
técnicas apresentadas incluem a redução da impermeabilização, a
conservação dos recursos naturais, a manutenção dos cursos naturais
de drenagem e a redução do uso de canalizações;
Fornecimento de medidas de armazenamento de água pluvial
dispersas uniformemente ao longo de toda a paisagem. Isso é feito
com o uso de uma variedade de práticas de detenção, retenção e
escoamento;
Manutenção do tempo de concentração de pré-desenvolvimento. Isso é
promovido através de estratégias de encaminhamento de fluxo que
mantenham o tempo de viagem e controlem a descarga de água;
13
Implementação de programas de educação efetivos que encorajem os
donos das propriedades a utilizarem medidas preventivas para a não
poluição e para a manutenção de práticas de gerenciamento na fonte
com funções hidrológicas e paisagísticas.
Assim, a principal diferença entre LID e BMP é que, enquanto as técnicas
BMP buscam compensar os efeitos da impermeabilização das superfícies com o uso
de dispositivos de infiltração e armazenamento, as técnicas LID se utilizam de
dispositivos similares, com acréscimo de vegetação diversificada, de modo a se
proporcionar maior potencial paisagístico e apelo ambiental. Assim, possibilita-se
que os processos químicos, físicos e biológicos que ocorrem nos ambientes onde os
dispositivos LID estejam inseridos, sejam similares aqueles de pré-ocupação.
Controladores LID específicos chamados Integrated Management Practices –
IMP, ou Práticas de Gerenciamento Integradas, podem reduzir o escoamento
integrando controladores de escoamento ao longo da paisagem em pequenas e
discretas unidades. IMPs são distribuídas em pequenas porções em cada lote,
próximo à fonte dos impactos, praticamente eliminando a necessidade de BMPs
centralizadas como, por exemplo, uma bacia de detenção (PRINCE GEORGES
COUNTY, 1999). Através desse processo, pode-se projetar um local integrado ao
meio ambiente e que mantém as características hidrológicas de pré-
desenvolvimento.
Alguns poucos conceitos que definem a essência das tecnologias de
desenvolvimento de baixo impacto devem ser integrados ao processo de
planejamento para que se produza um projeto bem sucedido e viável. Estes
conceitos são tão simples que tendem a ser menosprezados, mas, sua importância
não pode ser negligenciada. Esses conceitos fundamentais incluem (VILLANUEVA
et al., 2011):
Utilizar a hidrologia como um acessório de integração, sendo a bacia
hidrográfica uma unidade de planejamento;
Pensar em forma de micro gestão, agindo de modo preventivo;
Controlar a água da chuva na fonte, com transferência zero de
impactos a jusante;
Utilizar métodos simples, estruturais e não estruturais de forma
integrada;
Promover a participação pública;
14
Criar uma paisagem multifuncional.
Desse modo, busca-se a redução do impacto gerado pela urbanização de
modo a manter as condições hidrológicas como sendo aquelas de pré-ocupação dos
locais urbanizados, promovendo o correto uso do solo.
Prince George’s County (1999) apresenta passos a serem seguidos no
processo de planejamento de locais com LID. Os passos são:
Passo 1: Identificar o zoneamento aplicável, o uso do solo, subdivisões
e outros reguladores locais;
Passo 2: Definir os locais a serem protegidos;
Passo 3: Utilizar a hidrologia e a drenagem natural como elementos de
projeto;
Passo 4: Reduzir ou minimizar o total de áreas impermeáveis;
Passo 5: Integrar os projetos preliminares do local;
Passo 6: Minimizar as conexões diretas entre áreas impermeáveis;
Passo 7: Modificar ou aumentar os trajetos de escoamento devido à
drenagem;
Passo 8: Comparar hidrologicamente os cenários de pré e pós
desenvolvimento;
Passo 9: Finalizar o projeto com técnicas de baixo impacto.
O uso de LID diferencia-se dos demais métodos devido à antecipação do
planejamento da drenagem pluvial ao projeto arquitetônico-estrutural de
empreendimentos, apresentando “máxima eficiência na manutenção dos processos
hidrológicos, respeitando caminhos naturais de drenagem e privilegiando a
preservação de solos mais permeáveis” (ALLASIA; TASSI; GONÇALVES, 2011, p.
59). Contudo, ainda segundo esses autores, restrições locais como altura do lençol
freático, altura do leito rochoso, espaço físico e características do solo, por exemplo,
podem limitar o uso de LID exigindo que sejam utilizadas concomitantemente
práticas compensatórias ou higienistas, como detenções e condutos,
respectivamente.
15
3.3 Modelagem computacional como ferramenta auxiliar ao dimensionamento
de redes de drenagem – Modelo SWMM
Segundo US EPA (2010a), o SWMM – Storm Water Management Model é um
modelo dinâmico de simulação chuva-vazão utilizado para evento único ou para
simulação contínua de quantidade e qualidade de água principalmente em áreas
urbanas, desenvolvido e mantido pela U. S. Environmental Protection Agency. A
componente vazão do SWMM trabalha com um conjunto de sub-bacias que
recebem a precipitação e, a partir disso, geram cargas de poluentes e escoamento.
Este software considera as sub-bacias como unidades hidrológicas cujos elementos
topográficos e de drenagem direcionam o escoamento superficial para um único
ponto de descarga. Assim, o usuário é responsável por discretizar a área estudada
em um número apropriado de sub-bacias e por identificar os exutórios de cada sub-
bacia. Os exutórios podem ser tanto nós do sistema de drenagem como outras sub-
bacias.
As unidades de armazenamento são consideradas nós do sistema de
drenagem e são objetos muito importantes para esse estudo, pois fisicamente
podem representar instalações de armazenamento pequenas, como bacias de
detenção, ou grandes, como um lago. As propriedades volumétricas da unidade de
armazenamento são descritas por uma função ou tabela de área superficial por
altura.
O SWMM utiliza ainda algumas classes de objetos, os quais não podem ser
visualizados, para descrever características e processos da área em estudo. Um
exemplo disso é a temperatura do ar, que é utilizada em simulações de processos
de precipitação de neve e derretimento de gelo nos cálculos de escoamento.
Informações de temperatura também podem ser utilizadas para computar taxas de
evaporação diárias. A evaporação pode ocorrer por haver água parada na superfície
de bacias, por água subterrânea em aquíferos ou por água retida em unidades de
armazenamento. Assim, a taxa de evaporação pode ser declarada como um valor
constante, uma série de valores médios mensais, uma série de valores diários
definidos pelo usuário e valores calculados a partir de dados de temperatura.
As técnicas LID são consideradas, pelo SWMM, como propriedades das sub-
bacias, similar a como são tratados os aquíferos e os pacotes de neve. O software
16
modela explicitamente cinco diferentes tipos genéricos de controladores LID, os
quais são:
Células de Biorretenção, as quais são depressões que contêm
vegetação cultivada em uma mistura de solo colocada sobre uma
camada de cascalho com função drenante. Esses dispositivos
fornecem armazenamento, infiltração e evaporação tanto da água da
chuva como do escoamento superficial capturado das áreas vizinhas.
Jardins de chuva, plantações na rua e telhados verdes são variações
das células de biorretenção;
Trincheiras de Infiltração, as quais são valas estreitas preenchidas com
material britado que recebem o escoamento. Elas proporcionam
armazenamento de água e tempo adicional para que haja infiltração no
solo, pelo fundo e paredes da mesma;
Pavimentos Permeáveis, que são áreas escavadas preenchidas com
material britado e pavimentadas, na parte superior, com material
poroso. Com isso, a água passa por entre os poros do pavimento, é
armazenada na camada de material britado e infiltra no solo;
Cisternas de Chuva (ou barris), que são recipientes que armazenam o
escoamento coletado a partir do telhado durante o evento chuvoso.
Essa água pode ser simplesmente liberada ou utilizada;
Valos de Infiltração, que são canais ou depressões com taludes
cobertos com grama ou outra vegetação. Eles retardam o escoamento
e permitem que a água tenha mais tempo para infiltrar no solo sob a
estrutura.
Células de biorretenção, trincheiras de infiltração e sistemas de pavimentos
permeáveis podem conter sistemas de drenos opcionais na sua camada de material
britado para transferir a água para fora da estrutura ao invés de deixá-la infiltrar,
atuando simplesmente como estrutura de armazenamento; esse mesmo efeito é
obtido quando o solo abaixo da estrutura for impermeabilizado ou estiver bastante
compactado.
Os dispositivos LID são representados dentro do SWMM por uma combinação
de camadas verticais cujas propriedades são definidas por unidade de área. Assim,
durante a simulação é feito um balanço entre as camadas e medido o quanto de
água é armazenado ou infiltra em cada camada (US EPA, 2010a).
17
3.4 Dispositivos LID e BMP utilizados neste trabalho
Os dispositivos LID escolhidos para este trabalho foram limitados em função
do software SWMM. Este software utiliza os dispositivos Célula de Biorretenção
(Figura 1), Pavimento Permeável (Figura 2), Barril de Chuva (Figura 3), Trincheira de
Infiltração (Figura 4) e Valo de Infiltração (Figura 5) como uma forma de abranger
todos os outros dispositivos LID e BMP existentes. Assim, para se utilizarem outros
dispositivos, ter-se-ia que adaptar os cinco modelos fornecidos, agregando possíveis
erros à simulação. Nesse trabalho serão utilizadas ainda bacias de detenção (Figura
6), simuladas no SWMM como unidades de armazenamento, visando múltiplos usos.
Figura 1. Área de biorretenção utilizada em um estacionamento no Condado de Stanfford, VA, EUA. Fonte: US EPA, 2010b
Os dispositivos LID e BMP, conforme discutido, funcionam com base no
armazenamento, na infiltração ou em ambas as técnicas. De modo geral, não se
recomenda a infiltração da água no solo quando, em relação à superfície de
infiltração (URBONAS; STAHRE, 1993): a profundidade do lençol freático em
período chuvoso é menor ou igual a 1,20 m; existe uma camada impermeável a
menos de 1,20 m; os solos superficiais e subsuperficiais são classificados, segundo
o a classificação do Serviço de Conservação do Solo dos Estados Unidos (SCS),
como pertencentes ao grupo hidrológico D (quando a taxa de infiltração no solo é
inferior a 7,6 mm/h). Ainda, esses autores não recomendam a percolação no solo
nas mesmas condições em que não recomendam a infiltração com o acréscimo da
18
presença de solos pertencentes ao grupo hidrológico C (pela classificação do SCS)
ou quando a condutividade hidráulica dos solos saturados for menor que
No item 3.3 já foi apresentada a descrição de US EPA (2010a) dos
dispositivos utilizados. Assim, a seguir é descrito de maneira mais abrangente como
funcionam esses dispositivos.
Figura 2. Pavimento permeável em Chicago, IL, EUA, para possibilitar a infiltração da água no solo. Cortesia de David Leopold. Fonte: US EPA, 2010b
Figura 3. Barril de chuva utilizado em Santa Mônica, CA, EUA, para proporcionar o uso de
água da chuva e para reduzir a poluição que é levada pelo escoamento superficial até a praia. Fonte:
US EPA, 2010b
19
Figura 4. Trincheira de infiltração. Adaptado de: FHWA, 2001
3.4.1 Barris de Chuva (ou Microrreservatórios)
Funcionando com base no armazenamento de água, os microrreservatórios
(Figura 3) proporcionam a redução do escoamento superficial e a possibilidade de
uso da água da chuva, para, por exemplo, irrigação, limpeza de calçadas, carros,
entre outros.
Os microrreservatórios possuem suas características dimensionais
restringidas pelas cotas da rede de drenagem existente ou a ser construída. No
entanto, não há restrições fixas quanto ao seu volume e área superficial, ficando
esses valores restringidos apenas ao custo-benefício da adoção do dispositivo.
Assim, possuindo custo adequado ao seu benefício e cotas tais que
possibilitem o escoamento de água (quando necessário) para à rede de drenagem
ou para outros usos, os microrreservatórios poderão se localizar sob ou sobre a
terra. Quando sob a terra, será necessário que o dispositivo encontre-se dentro de
uma estrutura de concreto armado ou que o próprio reservatório seja em concreto
armado ou outro material adequado, sendo capaz de resistir às ações que possam a
solicitá-lo, como o peso do solo sobre o dispositivo, pessoas e carros circulando,
empuxo de terra, entre outros.
20
3.4.2 Trincheira de infiltração
As trincheiras de infiltração (Figura 4) infiltram o volume de água coletado no
solo nativo através da superfície do fundo e das laterais do dispositivo. Também, são
preenchidos com cascalho, pedras, ou outro material que proporcione vazios que
drenem a água à jusante.
Os critérios de projeto, conforme CIRIA (2007), são:
As trincheiras são escavadas entre 1 e 2 m e preenchidas com
agregados;
Funcionam como pré-tratamento com a remoção de sedimentos e
outros materiais finos;
A infiltração não deve ser utilizada onde a água subterrânea é
vulnerável ou para sanar problemas de poluição;
Devem ser colocados poços de observação e acesso para manutenção
de componentes.
Um bom uso de trincheiras de infiltração é adjacente às superfícies
impermeáveis, como rodovias e ruas, por exemplo. Contudo, esses dispositivos são
de uso exclusivo para locais com pouca declividade (menor ou igual a 2%), já que
são necessárias pequenas velocidades de escoamento. CIRIA (2007) recomenda o
uso de eventos de chuva de projeto variando entre 30 e 100 anos de recorrência.
Esses dispositivos são dimensionados para vazões intermitentes e não podem ser
colocados em locais com fluxo contínuo de água. Uma boa técnica é utilizar uma
faixa de grama em ambos os lados da trincheira permitindo que sedimentos sejam
filtrados por essas faixas e não colmatem o dispositivo (URBONAS; STAHRE, 1993).
Podem ainda ser utilizadas trincheiras de percolação que são idênticas às de
infiltração sem a consideração da infiltração nas superfícies em contato com o solo
nativo. Assim, esses dispositivos funcionam armazenando parte da água do evento
e destinando-a até uma rede de drenagem ou corpo receptor.
3.4.3 Valos de Infiltração
Os valos de infiltração são usualmente colocados paralelos às ruas, estradas,
estacionamentos, entre outros. Nesses dispositivos, o fluxo das áreas adjacentes é
concentrado e se criam condições para infiltração ao longo do seu comprimento
21
agindo como canais, armazenando e transportando água para outros dispositivos de
drenagem (PMPA/IPH, 2005).
A capacidade de infiltração desse dispositivo depende do nível do lençol
freático, da porosidade do solo, da carga de sólidos suspensos no escoamento
superficial da chuva e da densidade da vegetação presente na superfície.
Esses dispositivos utilizam o tempo de residência e o crescimento da
vegetação para reduzir a vazão de pico e fornecer tratamento da qualidade de água
(PRINCE GEORGES COUNTY, 1999). Assim, CIRIA (2007) recomenda como
critérios de projeto que:
Deve-se limitar a velocidade de escoamento para eventos extremos em
1 m/s, dependendo do tipo de solo, visando prevenir a erosão;
Deve-se manter a altura do escoamento em eventos frequentes abaixo
do topo da vegetação que reveste o dispositivo (próximo a 100 mm);
Declividade máxima para os taludes de 1H:3V quando o tipo de solo
apresenta condições de estabilidade;
Mínima largura de base igual a 50 cm.
Para aperfeiçoar esse processo e a infiltração da água no solo, recomenda-se
a instalação de pequenas contenções ao longo do comprimento, transversal ao
sentido do escoamento, quando a declividade for superior a 2% (URBONAS;
STAHRE, 1993).
Frequentemente não é possível infiltrar todo o escoamento utilizando-se
apenas valos e superfícies de infiltração, mesmo quando as condições geológicas e
as características do solo são favoráveis. Isso ocorre em função de a área de
contribuição de escoamento ser muito grande quando comparado com a área
disponível para infiltração. Apesar disso, mesmo que só uma pequena parte do
evento de projeto infiltre no solo, valos e superfícies de infiltração pertencem ao
grupo de BMPs que auxiliam na redução do volume de escoamento e, como
resultado, reduzem a quantidade de poluentes que seriam destinados ao corpo
hídrico receptor (URBONAS; STAHRE, 1993). Estes autores limitam um pouco mais
do que CIRIA (2007) a velocidade de escoamento para valos e superfícies de
infiltração, sugerindo que a velocidade do escoamento seja da ordem de 0,3 m/s ou
menor, facilitando a decantação dos sedimentos próximo a sua fonte.
Um caso especial de valo de infiltração apresentado por Urbonas e Stahre
(1993) é a instalação de uma trincheira de percolação junto ao valo de infiltração,
22
conforme Figura 5, por todo o seu comprimento. Sugere-se a consideração de
eventos de precipitação com 2 anos de tempo de recorrência. Assim, a água entra
na trincheira pelo seu topo através da superfície de uma camada de areia que serve
como filtro. Para reduzir a chance do filtro de areia e da trincheira de percolação
colmatarem, a água deve escoar primeiro por faixas de grama, que irão reter parte
dos sedimentos.
Figura 5. Detalhes do Valo de Infiltração com Trincheira de Percolação auxiliar. Adaptado de:
Urbonas e Stahre, 1993 (apud PMPA/IPH, 2005)
Quando os valos são dimensionados para que a água seja filtrada e infiltrada,
CIRIA (2007) sugere que a lâmina de água seja mantida abaixo do nível máximo da
vegetação (entre 10 e 15 cm) e que o evento de projeto seja calculado de ano a ano
e com 30 minutos de duração. O coeficiente de rugosidade aplicado à equação de
Manning deve ser utilizado como sendo 0,25 quando o nível de água estiver abaixo
do topo da vegetação e, para eventos extremos, quando o nível da água estiver
acima do topo da vegetação, o valor do coeficiente de rugosidade pode ser utilizado
igual a 0,10 para quase todos os tipos de gramas. O critério que deve ser utilizado
para eventos extremos é tempo de recorrência entre 30 e 100 anos e drenos
23
subterrâneos com capacidade em torno de 2 L.s-1.ha-1 para permitir que o sistema
suporte cenários de múltiplos eventos.
3.4.4 Bacias de Detenção
Esses dispositivos são estruturas de acumulação temporária de água (Figura
6) ou de infiltração. Baptista, Nascimento e Barraud (2005) descrevem três funções
básicas das bacias de detenção diretamente ligadas à drenagem de águas pluviais:
Amortecer as cheias geradas como forma de controle de inundações;
Reduzir volumes de escoamento superficial (no caso de bacias de
infiltração) e;
Reduzir a poluição difusa de origem pluvial.
Figura 6. Bacia de detenção em Porto Alegre a céu aberto com e sem infiltração. Fonte:
Allasia, Tassi e Gonçalves, 2011
A redução da poluição é feita de maneira muito simples nesses dispositivos.
Esta se baseia na sedimentação dos poluentes, de modo que a água, ao
permanecer estocada por certo tempo, após estar dentro da bacia, tem boa parte
dos sólidos suspensos sedimentados. Com isso, vai à rede de drenagem uma água
com qualidade muito superior àquela que escoou pela rede para dentro do
dispositivo.
As bacias de detenção, dimensionadas de acordo com suas funções básicas,
podem ser encontradas em diversas configurações, como a céu aberto (com
espelho d’água permanente, secas ou em zonas úmidas), subterrâneas ou cobertas
(BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD, 2005). Alguns autores, como Urbonas e
24
Stahre (1993) diferenciam bacias de detenção de bacias de infiltração em função da
sua operação de controle de saída de água.
Qualquer tipo de reservatório, seja de detenção ou de retenção, possui seus
níveis limitados pela rede de drenagem existente ou a ser implantada. Como mostra
a Figura 6, podem ser proporcionados usos múltiplos para as bacias de detenção,
como quadras de esportes, por exemplo. Ainda, visando ao melhor aproveitamento
da área onde este dispositivo ficará inserido, pode-se construir os reservatórios sob
estacionamentos ou outras obras de grande área superficial.
As bacias de infiltração podem constituir-se de grandes áreas gramadas ou
de uma praça revestida com areia, a que possui alta taxa de permeabilidade. Dessa
forma, diz-se que os métodos construtivos variam muito em função de cada projeto.
25
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Para este trabalho, foi selecionada uma microbacia dentro do município de
Porto Alegre – Rio Grande do Sul. Nesse local, foi planejado um loteamento onde foi
avaliada a aplicabilidade de diferentes técnicas de controle do escoamento pluvial,
apresentadas nesse trabalho.
Seguindo o princípio de aplicação de técnicas de LID, foi realizada uma
revisão bibliográfica a respeito de métodos de dimensionamento, e os dispositivos
selecionados foram dimensionados. Na sequência, foi realizada uma modelagem
com a aplicação do modelo SWMM, onde o sistema de drenagem não convencional
do loteamento foi representado, a qual permitiu avaliar o comportamento hidrológico
do local em uma condição de regime de escoamento não permanente.
Optou-se por não utilizar células de biorretenção nesse trabalho pelo fato de
não se ter encontrado, nas bibliografias estudadas, metodologias de
dimensionamento que permitissem a avaliação do SWMM. Ainda, não foram
utilizados pavimentos permeáveis em função de as vias do loteamento possuírem
tráfego de caminhões (caminhões de lixo, caminhões de mudanças, entre outros) e,
portanto, serem mais facilmente danificadas durante o seu uso.
Os itens a seguir descrevem os procedimentos utilizados.
4.1 Local de estudo
O município de Porto Alegre foi escolhido como sede para o estudo pelo seu
pioneirismo no que se refere à normalização e a manuais quanto à drenagem
pluvial, conforme apresentado no item 3.2.2. O loteamento estudado (Figura 7), com
área aproximada de 4,8 ha, está localizado no bairro Aberta dos Morros, com frente
(e acesso principal) para a Estrada Gedeon Leite. O loteamento encontra-se dentro
de uma sub-bacia do Arroio do Salso, com área aproximada de 9371 ha.
26
Figura 7. Contorno do loteamento sobre imagem de satélite. Adaptado de: Google Earth
O tipo de solo que prevalece no loteamento é uma associação de planossolo
hidromórfico, gleissolo hápico e plintossolo argilúvico, havendo uma pequena porção
de terra onde o solo é uma associação de gleissolo háplico e planossolo
hidromórfico (com base em dados obtidos do Laboratório de Geoprocessamento da
Universidade Federal de Porto Alegre – LABGEO/UFRGS). Gonçalves, Silva e Risso
(2007) apresentam a distribuição dos tipos de solo na cidade de Porto Alegre,
conforme Tabela 1. Com isso, percebe-se a predominância de solos pertencentes
aos Grupos Hidrológicos C e D, em especial ao Grupo D, corroborando com os
resultados apresentados do LABGEO.
Tabela 1. Distribuição dos Grupos Hidrológicos na cidade de Porto Alegre. Fonte: Gonçalves,
Silva e Risso, 2007
Tipo de Solo Área (km²) Frequência
A 0,00 0,00%
B 81,41 17,10%
C 121,03 25,43%
D 273,56 57,47%
Total 476,00 100,00%
Segundo Sartori, Lombardi Neto e Genovez (2005), esses solos enquadram-
se no Grupo Hidrológico D, conforme classificação do SCS, que corresponde aos
27
solos com maior capacidade de geração de escoamento superficial. As
características apresentadas por esses autores para esse Grupo Hidrológico são:
Taxa de infiltração muito baixa e pouca resistência à erosão. A taxa
mínima de infiltração é inferior a 1,27 mm/h, segundo Mockus, (1972
apud SARTORI; GENOVEZ; LOMBARDI NETO, 2005);
Solos rasos, com profundidade menor que 50 cm;
Solos argilosos associados à argila com alto potencial de expansão;
Solos orgânicos.
Sartori, Genovez e Lombardi Neto (2005) apresentam a Tabela 2 adaptada de
TR-55 (1986), com valores de Curve Number (CN) para cada Grupo Hidrológico.
Assim, o CN médio de um local pode ser estimado relacionando os diversos
complexos hidrológicos solo-cobertura da terra presentes na bacia hidrográfica e os
valores de CN presentes na Tabela 2 (sendo esses valores referentes a condições
de umidade antecedente AMC-II). Com base na tabela apresentada, considerando-
se que a área é urbana e o Grupo Hidrológico do solo é D, classifica-se o uso do
solo como “fazendas e chácaras (área urbana)” e se chega ao valor 86 para o CN
médio.
Tabela 2. Valores do CN determinado para cada Grupo Hidrológico. Adaptado de: TR-55,
1986 (apud SARTORI; GENOVEZ; LOMBARDI NETO, 2005)
Uso do Solo Condição
Hidrológica
Grupo Hidrológico do Solo
A B C D
Plantios em linha (cana-de-açúcar) Má
Boa
66
62
74
71
80
78
82
81
Capoeira e mata ciliar Média 35 56 70 77
Plantios em linha (culturas anuais) Má
Boa
70
65
79
75
84
82
88
86
Pastagem Média 49 69 79 84
Reflorestamento Média 36 60 73 79
Fazendas e chácaras (área urbana) - 59 74 82 86
Terra arada - 77 86 91 94
Foi desconsiderado o volume de água de uma área de contribuição de
aproximadamente 221 ha em função dessa água já ser drenada através de
condutos, conforme observado em cadastro da rede de drenagem fornecido pelo
28
Departamento de Esgotos Pluviais de Porto Alegre. Assim, a única área a ser
considerada para o dimensionamento da rede de drenagem é a área do próprio
loteamento.
Gonçalves, Silva e Risso (2007) produziram um mapa com os parâmetros CN
para Porto Alegre, que foi utilizado nesse trabalho para confirmar o valor estimado a
partir dos trabalhos de Sartori, Lombardi Neto e Genovez (2005), e concluíram que
aproximadamente 83% da cidade apresentam valores de CN superiores a 75, o que
caracteriza as bacias de Porto Alegre como bacias de média e alta capacidade de
geração de escoamento superficial, devido “aos percentuais de áreas
impermeabilizadas resultantes da urbanização e também à predominância de solos
com pouca capacidade de infiltração” (GONÇALVES; SILVA; RISSO, 2007, p. 9).
Como discutido no item 3.4, não é recomendada a promoção da infiltração da
água em solos do grupo D nem a percolação da água em solos dos grupos C e D.
Com isso, ao observar a Tabela 1, nota-se certa dificuldade em utilizar dispositivos
LID em Porto Alegre.
Para esse estudo, considerou-se que o solo pertence ao Grupo Hidrológico C,
já que não foi possível realizar o ensaio de infiltração de água no solo e não é
indicado utilizar infiltração de água em solos deste grupo hidrológico (Urbonas e
Stahre, 1993). Assim, assumiu-se que a taxa de infiltração é 6,35 mm.h-1, conforme
dados apresentados por PMPA/IPH (2005) (Tabela 3). Como esse valor não foi
medido, e sim, selecionado, não foi corrigido por qualquer coeficiente de segurança.
Quanto ao valor de CN, foi considerado 82, conforme a Tabela 2, para Fazendas e
chácaras (área urbana).
Tabela 3. Valores típicos de taxa de infiltração por grupo hidrológico. Fonte: PMPA/IPH, 2005
Grupo Hidrológico
do Solo
Taxa de Infiltração (mm/h)
Io (inicial) Ib (solo saturado)
A 254,0 25,4
B 203,2 12,7
C 127,0 6,35
D 76,2 2,54
A Figura 8 mostra o loteamento em estágio de pré-ocupação. Nessa figura,
observam-se 3 grandes manchas de vegetação (com predominância de eucaliptos),
29
uma rua diretriz no sentido norte-sul (Diretriz 6356) e uma rua diretriz no sentido
leste-oeste (Diretriz 7182). Ao sul do loteamento em estudo, há o loteamento
Residencial Lagos de Ipanema (já executado), cuja rede de microdrenagem poderá
representar restrição à rede de drenagem do loteamento em estudo.
Na Figura 8 estão demarcados os fluxos naturais de água. Os fluxos estão
desenhados na cor azul e representam informação importante para a definição da
configuração urbanística deste loteamento, já que, ao se utilizarem as técnicas de
LID, os fluxos naturais de água devem ser respeitados.
As curvas de nível mostram que os planos de escoamento nesta área
convergem no sentido nordeste-sudoeste na maior parte da área. Diferente a isso,
ocorre uma pequena área no extremo nordeste do loteamento onde a água escoa,
naturalmente, no sentido noroeste-sudeste.
4.2 Definição da configuração urbanística do loteamento
O local de implantação do loteamento, em Porto Alegre, pertence à
Macrozona 7 – Restinga, que é um bairro residencial da Zona Sul. A Unidade de
Estruturação Urbana (UEU) onde está localizada a área em estudo é a 8 e a
Subunidade é a 1 (PMPA, 2010).
No Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano Ambiental (PDDUA) de Porto
Alegre encontram-se os dados quanto ao regime urbanístico (anexo 1.2 do PDDUA),
de densidade bruta (anexo 4 do PDDUA), de atividade (anexo 5 do PDDUA), de
índice de aproveitamento (anexo 6 do PDDUA) e de volumetria das edificações
(anexo 7 do PDDUA). Assim, tem-se que a atividade no loteamento deve ser
predominantemente residencial, com índice de aproveitamento (IA) de 1,0, altura
máxima da edificação de 9 m e taxa de ocupação de 66,6%.
Com base no anexo 8.1 – Padrões para Loteamentos, do PDDUA, têm-se os
seguintes dados para áreas predominantemente residenciais e mistas:
Equipamentos comunitários: deverá ser destinado 18% da área total
para praças, escolas e outros, e 2% da área total para parques;
Malha viária mínima: V. 3.2; V. 3.3; V. 4.2; V. 4.3; V. 4.4 e; V. 4.5,
conforme anexo 9;
Lotes: área mínima de 150,00 m² e testada mínima de 5,00 m;
30
Quarteirões: face máxima de 200,00 m e área máxima de 22.500,00
m².
Assim, optou-se por utilizar vias V. 4.4, conforme Figura 9. Ainda, vias
alternativas foram projetadas, conforme anexo 9.2, em ruas sem saída dentro do
loteamento (Figura 10).
Figura 8. Loteamento em condição de pré-ocupação. As linhas azuis indicam o fluxo natural de água Sem escala.
31
Figura 9. Perfil viário para via local dentro do loteamento. Fonte: PMPA, 2010
Figura 10. Perfil viário para via alternativa dentro do loteamento. Fonte: PMPA, 2010
4.3 Métodos de dimensionamento dos dispositivos LID e BMP
Os métodos de dimensionamento e pré-dimensionamento dos dispositivos
LID utilizados aqui foram retirados de Silveira e Goldenfum (2007), PMPA/IPH
(2005), Urbonas e Stahre (1993) e Tucci (2005). Os passos a serem seguidos para a
quantificação hidrológica, no loteamento, sugeridos por Prince George’s County
(1999) e seguidos nesse trabalho são:
a) Delimitação das áreas das bacias hidrográficas e sub-bacias;
b) Definição da chuva de projeto;
c) Definição das técnicas de modelagem a serem empregadas;
d) Compilação das informações das condições de pré-
desenvolvimento;
e) Avaliação dos valores característicos da condição de pré-
desenvolvimento e dos valores base para o desenvolvimento do
local;
f) Avaliação dos benefícios planejados para o local e comparação
com os benefícios requeridos;
g) Avaliação das práticas de gerenciamento integrado;
h) Avaliação das necessidades suplementares.
32
Assim, para definir a chuva de projeto, utilizou-se a equação Intensidade –
Duração – Frequência (IDF) do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH), conforme
sugerido por PMPA/IPH (2005) (Equação 1).
(1)
sendo a intensidade em mm.h-1, o período de retorno em anos e a duração do
evento em minutos. Conforme sugerido pelo Manual de Drenagem de Porto Alegre,
o período de retorno utilizado foi 10 anos para todos os dispositivos à exceção das
Bacias de Detenção, e a distribuição temporal para o evento de projeto foi feita com
o Método dos Blocos Alternados (PILGRIM; CORDERY, 1975 apud ZAHED;
MARCELLINI, 1995) com intervalos de tempo iguais a 5 minutos (PMPA/IPH, 2005)
com a posição do pico da chuva em 50% da duração do evento.
Silveira e Goldenfum (2007) apresentam um método de pré-dimensionamento
onde adaptaram o método da curva envelope para diferentes dispositivos de
controle na fonte. Segundo esses autores, no método da curva envelope, a curva de
massa dos volumes afluentes ao dispositivo é comparada com a curva de massa de
volume de efluentes em função do tempo para, então, a máxima diferença de
volume entre as curvas ser tomada como o volume de dimensionamento. Para efeito
de cálculo, os volumes são expressos em lâminas de água equivalentes por área em
planta do dispositivo, sendo que o volume afluente é obtido a partir dos parâmetros
de uma IDF do tipo Talbot (AZZOUT et al., 1994 apud SILVEIRA; GOLDENFUM,
2007), e o volume efluente é obtido pela multiplicação do tempo da vazão de saída
constante do dispositivo.
No entanto, na metodologia apresentada, Silveira e Goldenfum (2007)
desconsideram o controle de poluição e aspectos referentes à localização do
dispositivo, como, por exemplo, as condições de solo suporte. Ainda, admite-se que
os dispositivos de infiltração promovem infiltração no solo de todo o excesso pluvial
a eles destinado (resultando em escoamento superficial nulo), os dispositivos sem
infiltração no solo são dimensionados para liberar o escoamento máximo equivalente
a uma vazão de restrição por hectare (L.s-1.ha-1) e os dispositivos de
armazenamento com infiltração no solo são dimensionados para liberar o
33
escoamento máximo equivalente à vazão de restrição sendo a infiltração utilizada
para reduzir as dimensões do dispositivo.
Baptista, Nascimento e Barraud (2005) descrevem a necessidade de
utilizarem-se métodos de simulação para a definição dos hidrogramas
correspondentes aos diversos componentes do sistema e calcular as diferentes
características das estruturas tanto no diagnóstico como na concepção dos projetos.
Assim, esses autores sugerem o Método de Puls para dimensionamento de bacias
de detenção.
O Manual de Drenagem Urbana de Porto Alegre (PMPA/IPH, 2005) adota o
procedimento de CIRIA (1996) para os projetos dos sistemas de infiltração em
planos e para os pavimentos permeáveis. Este Manual e Urbonas e Stahre (1993)
apresentam parâmetros para o dimensionamento de estruturas de infiltração e
percolação em tabelas. Essas tabelas foram utilizadas para a estimativa do valor da
taxa de infiltração (Tabela 3), da condutividade hidráulica do solo (Tabela 4) e da
porosidade efetiva dos materiais da camada de armazenamento dos dispositivos
(Tabela 5).
Tabela 4. Condutividade hidráulica saturada para diferentes tipos de solo. Adaptado de:
Urbonas e Stahre, 1993
Tipo de Solo Condutividade Hidráulica
(m/s)
Cascalho 10-3 – 10-1
Areia 10-5 – 10-2
Silte 10-9 – 10-5
Argila (saturada) <10-9
Solo Cultivado 10-10 – 10-6
Tabela 5. Porosidade específica de típicos materiais rochosos. Fonte: Urbonas e Stahre, 1993
Material Porosidade Efetiva (%)
Rocha dinamitada 30
Cascalho de granulometria uniforme 40
Brita graduada (menor que ¼ pol.) 30
Areia 25
Seixo rolado 15 – 25
34
A porosidade efetiva dos materiais permite a determinação do volume
disponível para o armazenamento de água. Assim, como é usual a utilização de brita
grossa para fins similares a esse no sul do Brasil, considerou-se a porosidade
efetiva da rocha dinamitada (30%).
No entanto, caso haja a possibilidade de se fazerem essas medições para a
condutividade hidráulica, Urbonas e Stahre (1993) sugerem que o menor valor de
condutividade encontrado seja o utilizado e, em função da colmatação, seja dividido
por um fator de segurança entre 2 e 3. Sabe-se que o solo do loteamento em estudo
pertence ao grupo hidrológico D devido ao trabalho Gonçalves, Silva e Risso (2007),
contudo, como não é indicado utilizar infiltração de água em solos deste grupo
hidrológico (Urbonas e Stahre, 1993), considerou-se que o loteamento em estudo
possui solo pertencente ao grupo hidrológico C, possibilitando a consideração do
valor 6,35 mm/h para a taxa de infiltração para solo saturado.
Urbonas e Stahre (1993) apresentam um método que permite a obtenção do
volume máximo a partir do método da curva envelope. Esse método se baseia na
determinação dos volumes acumulados de entrada e saída do dispositivo, sendo a
máxima diferença entre esses valores o volume que o dispositivo deverá armazenar.
Em todos os dimensionamentos aqui expostos, considerou-se ocupação dos
lotes em 66,6%, conforme permite o Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano
Ambiental de Porto Alegre (PMPA, 2010). Ainda, considerou-se a terraplenagem
executada de modo a não permitir que a água escoe para fora do loteamento sem
que seja pela rua principal ou pelas saídas das bacias de detenção. Quanto ao
coeficiente de escoamento, seguindo orientações de Bidone e Tucci (1995), foi
considerado 0,90 para ruas, calçadas e telhados e 0,30 para áreas permeáveis.
Dessa forma, o dimensionamento de cada dispositivo de drenagem foi feito
conforme as metodologias descritas a seguir.
4.3.1 Microrreservatório – Decreto Nº 15.371 (PMPA, 2006)
O Decreto Municipal Nº 15.271 de 2006 prevê que, para manter a vazão de
pré-desenvolvimento, pode ser utilizado um reservatório no lote com volume
calculado pela Equação 2. Essa metodologia pode ser utilizada para áreas com até
100 ha. Essa equação foi feita com base em eventos de projeto de Porto Alegre com
duração de 1 hora e tempo de retorno de 10 anos.
35
(2)
sendo o volume do reservatório (m³); a área de contribuição (ha), e; a área
impermeável que drena a precipitação para os condutos pluviais (% da área total ).
Assim, os dispositivos de saída devem ser dimensionados hidraulicamente de modo
a esgotar o equivalente à vazão de restrição, no máximo.
Para o dimensionamento dos microrreservatórios nesse trabalho, supõe-se
que os dispositivos são estanques, a área de contribuição é equivalente a área do
lote e o lote possui 66,6% da sua área impermeabilizada.
O descarregador de fundo deve ser dimensionado como um orifício, com o
seu diâmetro definido a partir dos ábacos apresentados no Manual de Drenagem
Urbana de Porto Alegre, página 72, em função da vazão e da máxima carga
hidráulica.
4.3.2 Bacia de Detenção (e Infiltração) – Silveira e Goldenfum (2007)
A obtenção do volume de dimensionamento para a bacia de detenção difere-
se um pouco dos demais em função de considerar-se que o produto do coeficiente
de escoamento pela razão entre a área contribuinte e a área do dispositivo é igual
ao coeficiente de escoamento. Assim, tem-se que
(3)
sendo o volume de dimensionamento (m³.ha-1); , e parâmetros da equação
IDF de Talbot; o coeficiente de escoamento; é o período de retorno em anos, e;
é a vazão de saída constante do dispositivo (mm.h-1), obtido pela Equação 4.
(4)
sendo (mm.h-1) a vazão de restrição ou vazão de pré-desenvolvimento (
para bacias de infiltração); um coeficiente redutor devido à colmatação (sendo
36
recomendado valores próximos a 0,5), e; (mm.h-1) a condutividade hidráulica
saturada do solo ( para bacias de detenção com leito impermeável).
Essa metodologia foi aplicada para o dimensionamento da Bacia de
Infiltração. No loteamento aqui estudado, a Bacia de Infiltração a ser implantada
permite múltiplos usos, servindo, quando sem água, como uma praça de brinquedos
para crianças. Assim, na base da Bacia, que possui área igual a 219 m², há uma
camada de areia grossa (com taxa de infiltração superior à do solo). O tempo de
concentração foi definido como sendo 10 minutos.
4.3.3 Bacia de Detenção – Método simulação de Puls, Tucci (2005)
O Método de Puls é o mais conhecido para simulação do escoamento em
reservatórios. É utilizada a equação da continuidade concentrada, sem distribuição
lateral e a relação entre armazenamento e vazão é obtida considerando o nível de
água dentro do reservatório como sendo horizontal (TUCCI, 2005). Assim, utiliza-se
a Equação 5 para simular as trocas ocorridas dentro do reservatório.
(5)
sendo e vazões de entrada no reservatório no instante e ,
respectivamente; e vazões de saída do reservatório em e , e; e
o armazenamento no reservatório.
Como são duas as incógnitas da Equação 1 ( e ), é necessária a
Equação 6 para completar o sistema.
(6)
Assim, Tucci (2005) sugere a simulação do escoamento através do
reservatório com base na Equação 5 e na Equação 6 da seguinte forma:
a. Estabelece-se o volume inicial do reservatório ( ). Assim, é possível calcular
a vazão para o instante inicial ( ) através da Equação 6;
b. Para o próximo intervalo de tempo, determinam-se os termos da direita da
Equação 5;
37
c. O termo da direita da Equação 5 deve ser igual à abscissa da Equação 6.
Assim, obtêm-se a vazão ;
d. Como se conhece , é possível obter-se .
Os passos de b à d devem ser repetidos para todos os intervalos de tempo.
As Bacias de Detenção foram simuladas pelo Método de Puls através do
software IPHS-1, versão 11, que conta com esta metodologia de propagação de
vazão em reservatórios dentro da sua programação. Assim, foram feitas 4
simulações, todas com um intervalo de tempo de 5 minutos. As simulações foram as
seguintes: i) Simulação com 48 horas de duração (equivalente a 576 intervalos de
tempo) e chuva de projeto com 24 horas de duração e tempo de recorrência igual a
15 anos; ii) Simulação com 4 horas de duração (equivalente a 48 intervalos de
tempo) e chuva de projeto com 1 hora de duração e tempo de recorrência igual a 15
anos; iii) Simulação com 48 horas de duração (equivalente a 576 intervalos de
tempo) e chuva de projeto com 24 horas de duração e tempo de recorrência igual a
25 anos, e; iv) Simulação com 4 horas de duração (equivalente a 48 intervalos de
tempo) e chuva de projeto com 1 hora de duração e tempo de recorrência igual a 25
anos.
Dessa forma, as simulações “i” e “ii” visam ao dimensionamento dos
dispositivos e as simulações “iii” e “iv” visam a verificar os dispositivos para eventos
mais extremos.
O tempo de concentração, que foi igualado à duração crítica da chuva, foi
estimado pela Equação de Kirpich (SILVEIRA, 2005) considerando os valos de
infiltração como se fossem canais. Os valos foram considerados totalmente
colmatados, como medida de segurança, já que se espera que isso realmente
ocorra com o passar dos anos.
A distribuição temporal da chuva foi feita utilizando-se o Método dos Blocos
Alternados com pico em 50% da duração da chuva, conforme discutido no item 4.3.
A separação do escoamento foi feita pelo Método do Soil Conservation Service
(SCS) com CN igual a 82, como discutido no item 4.1, e a propagação do
escoamento superficial foi feita utilizando-se o Hidrograma Triangular do SCS. Tanto
as metodologias utilizadas para a definição da chuva de projeto como aquelas
utilizadas para a propagação do escoamento estão inseridas na programação do
software IPHS-1.
38
4.3.4 Valo de Infiltração – CIRIA (1996)
Para que os valos de infiltração funcionem como canais, recomenda-se que a
declividade longitudinal seja inferior a 2% e lateralmente a declividade deve ser da
razão de 1V:4H ou mais plano (PMPA/IPH, 2005). Assim, a Equação 7, retirada de
Holz (2006), permite calcular o comprimento necessário ( ) para infiltrar a taxa
média de fluxo de projeto ( ).
(7)
sendo o comprimento necessário para infiltrar a taxa média de fluxo de projeto ;
a distância vertical da declividade lateral; a distância horizontal da declividade
lateral mais a largura de fundo; a declividade longitudinal; o coeficiente de
rugosidade de Manning; a taxa de infiltração saturada (cm.h-1); a taxa média de
fluxo de projeto (m³.s-1), e; Z é a taxa de declividade lateral (1V:ZH).
Assim, é verificado se, em planta, o comprimento disponível para o valo é
superior ao comprimento necessário calculado através da Equação 7. Sendo
superior, o valo funcionará corretamente como canal.
4.3.5 Trincheira de Infiltração – Urbonas e Stahre (1993)
Primeiro, determina-se o volume de projeto afluente à trincheira ( ) através
da Equação 8, que é obtida a partir do Método Racional. Para o dimensionamento,
consideram-se apenas as áreas impermeáveis como geradoras de escoamento.
(8)
sendo o volume de projeto afluente à trincheira (m³); o coeficiente de
escoamento; a intensidade da precipitação de projeto (L.s-1.ha-1); a duração da
precipitação (h) e; a área da bacia de contribuição (ha). O fator 1,25 acresce em
25% o volume de precipitação de forma a tornar o Método Racional mais preciso ao
39
incluir as precipitações que podem ocorrer antes e após o evento de projeto
estudado.
Após, faz-se a estimativa inicial das dimensões da trincheira e se constrói a
curva de volumes acumulados de saída ( ) a partir da Equação 9.
(9)
sendo o volume de saída (m³), a condutividade hidráulica saturada (m/s), que
pode ser obtida na Tabela 4 ou com ensaios em campo e corrigida por um fator de
segurança 2 ou 3, para considerar a colmatação; é a área de infiltração ou
percolação, que é a área das paredes laterais do dispositivo (m²), e; é a duração
da precipitação (h). Essa metodologia não considera a face de fundo do dispositivo
em função da sua rápida colmatação.
Com isso, pode-se identificar a máxima diferença entre as curvas de volume
afluente ( ) e volume de saída da trincheira ( ). Para obter-se o volume mínimo da
trincheira, para então compará-lo com o pré-dimensionado, divide-se a máxima
diferença encontrada entre as curvas de volume pela porosidade do material de
enchimento.
4.4 Definição da máxima vazão efluente do loteamento
São duas as possibilidades de vazão de restrição ao loteamento: aquela
estabelecida pelo Decreto Nº 15.371 e a máxima vazão que o sistema ou corpo
receptor do escoamento suporta.
O Decreto Nº 15.371 estabelece uma vazão de restrição igual a 20,8 L.s-1.ha-
1. Assim, facilmente, multiplicando-se esse valor pela área total do loteamento, sabe-
se a máxima vazão que pode efluir do loteamento.
Jusante a área objeto deste estudo, há um sistema de drenagem já
implantado, pertencente ao Loteamento Residencial Lagos de Ipanema, conforme
plantas cedidas pelo Departamento de Esgotos Pluviais de Porto Alegre. Ainda, há
um corpo hídrico a jusante da área que poderá receber o escoamento desta.
Dessa forma, deverá ser verificada a capacidade de drenagem da estrutura
ou corpo receptor do escoamento gerado pelo Loteamento em estudo. Essa
40
verificação deverá ser feita através da Equação de Manning (Equação 10). Assim,
deverá ser verificada a vazão máxima para que não haja falhas na recepção do
escoamento. Além disso, as condições de jusante podem interferir também na cota
da rede de drenagem a montante ou das bacias de detenção.
(10)
sendo a vazão (m³.s-1); a área da seção molhada (m²); o coeficiente de
rugosidade de Manning; o raio hidráulico, e; a declividade (m.m-1).
4.5 Simulação no modelo SWMM do sistema de drenagem com o uso de
técnicas de baixo impacto
Existe uma grande variedade de modelos disponíveis para simular processos
de chuva-vazão em bacias hidrográficas. Assim, a seleção da técnica de modelagem
apropriada dependerá do nível de detalhamento e rigor requeridos para a aplicação
e da quantidade de dados disponíveis para calibração de validação dos resultados
do modelo.
Como o SWMM considera os dispositivos de LID como sendo subunidades
das bacias hidrográficas, quando modelada a drenagem ao nível de lote, o SWMM
deverá ser capaz de representar processos bastante rápidos em intervalos de tempo
muito pequenos, já que os tempos de concentração de lotes são pequenos.
Salienta-se aqui a quase inexistência de trabalhos que avaliem o módulo LID do
SWMM, já que após extensas buscas, não foram encontrados estudos que
avaliassem essa parte específica do SWMM.
Dessa forma, tentou-se aqui analisar o comportamento do SWMM quando
utilizados os dispositivos LID Barril de Chuva, Valo de Infiltração e Trincheira de
Infiltração.
A Figura 11 mostra como foi modelado o sistema dentro do SWMM.
Basicamente, foi criada uma sub-bacia para cada dispositivo de drenagem, já que o
SWMM simula os dispositivos LID como subunidades das bacias.
41
Figura 11. Figura meramente demonstrativa da modelagem no SWMM. As ampulhetas
representam vertedores ou orifícios, os quadrados em preto representam o centro de massa das sub-
bacias e os quadrados em preto sobre os reservatórios de detenção e infiltração representam
dispositivos de reservação de água
A precipitação é inserida no programa a partir de uma estação pluviométrica
(Rain Gage), a qual é a mesma para todas as sub-bacias. Nessa estação, foi então
selecionada a chuva de projeto. Nas simulações, foram utilizadas chuva de projeto
42
com 24 horas de duração e 15 anos de tempo de retorno. As simulações foram
realizadas com 1 minuto de intervalo de tempo e com 48 horas de duração.
Após a inserção das séries de precipitação, foram inseridos os dispositivos de
drenagem na parte hidrológica, para posterior utilização nas sub-bacias. Dessa
forma, foi inserido um dispositivo LID (LID Controls) para cada tipologia diferente. No
caso, foram inseridas 5 trincheiras de infiltração, 2 valos de infiltração e 3
microrreservatórios.
As trincheiras de infiltração (infiltration trench) foram inseridas no modelo com
os dados expostos abaixo. Não foi considerada superfície vegetal nas trincheiras, o
índice de vazios (Void Ratio) foi definido com base na porosidade do material e não
foi considerado dreno de fundo, já que as trincheiras foram dimensionadas de forma
a esgotarem todo o volume de água através da sua infiltração no solo.
Surface: Storage Depth – 0,0; Vegetation Volume Fraction – 0,0;
Surface Roughness – 0,0; Surface Slope – 0,0;
Storage: Height – entre 1400 e 1800 mm; Void Ratio – entre
0,47 e 0,53; Conductivity – 6,35 mm.hr-1; Clogging Factor – 0,0;
Underdrain: Drain Coefficient – 0,0; Drain Exponent – 0,5; Drain
Offset Height – 0,0.
Os valos de infiltração (vegetative swale) foram inseridos no modelo com os
dados expostos abaixo. A única diferença entre os dois valos de infiltração é a
declividade longitudinal média, que no valo V1 é 2% e no valo V2 é 2,5%.
Surface: Storage Depth – 625 mm; Vegetative Volume Fraction
– 0,0; Surface Roughness – 0,1; Surface Slope – entre 2,0% e
2,5%; Swale Side Slope – 8.
Os microrreservatórios (rain barrel) foram inseridos no modelo com os dados
expostos abaixo. O dreno de fundo foi utilizado como se fosse o descarregador de
fundo dos microrreservatórios, já que, no SWMM, não é possível utilizar um orifício a
partir de um rain barrel, já que este é uma característica da sub-bacia, e não um
dispositivo propriamente dito. Dessa forma, o coeficiente de drenagem foi utilizado
como sendo 7,5 mm.hr-1, que equivale numericamente à vazão de restrição para os
lotes (20, 8 l.s-1.ha-1).
Storage: Height – entre 1300 e 1500 mm;
Underdrain: Drain Coefficient – 7,5 mm.hr-1; Drain Expoent – 0,5;
Drain Offset Height – 0,0; Drain Delay – 0,0.
43
Após a inserção dos dados no modelo, simulou-se o loteamento para dois
cenários, um com valos de infiltração funcionando corretamente e outro com os
valos de infiltração totalmente colmatados. Quando simulado o segundo cenário,
simplesmente retiraram-se os valos de infiltração do modelo. Ambas as simulações
foram feitas para uma chuva de projeto com 24 horas de duração e período de
retorno de 15 anos.
Dessa forma, foi possível analisar a capacidade do software SWMM em
representar processos de pequena escala com as técnicas de LID. Essa análise
ocorreu com base nas diferenças dos resultados entre os dois cenários analisados.
Visando comparar os resultados do SWMM com aqueles obtidos utilizando-se
de todas as outras metodologias de dimensionamento de dispositivos LID onde os
dispositivos foram dimensionados individualmente, realizou-se uma última simulação
do loteamento na qual as trincheiras de infiltração e a bacia de infiltração drenaram a
água para um segundo exutório. Isso foi feito em função de os dispositivos terem
sido dimensionados para uma precipitação de projeto de 10 anos de tempo de
retorno quando do uso das metodologias individuais e, dentro do SWMM, ter sido
utilizado tempo de retorno de 15 anos para todos os dispositivos. Dessa forma, as
vazões afluentes ao poço de visita (PV) provêm dos lotes presentes a oeste da via
norte-sul do condomínio, dos lotes com microrreservatórios, dos lotes localizados
junto ao valo de infiltração V-2 e das áreas verdes cujas vazões não foram drenadas
para trincheiras de infiltração ou para a bacia de infiltração, e são amortecidas pelas
bacias de detenção BD-1 e BD-2.
44
5 RESULTADOS
De acordo com a ideia de desenvolvimento de baixo impacto, seguiu-se a
recomendação de que se deve manter o traçado da drenagem natural do terreno
(PRINCE GEORGES COUNTY, 1999). Assim, primeiro, definiram-se os cursos
naturais de água e se criaram zonas de alagamento até cinco metros a partir do eixo
do curso natural de drenagem. Após, foram posicionados lotes, com dimensões
aproximadas de 10 x 30 m, e vias de acesso domiciliar a partir da rua diretriz que
passa no sentido norte-sul no centro da área loteada. Os limitadores da geometria
dos lotes e das vias foram os limites da área a ser loteada, a rua diretriz e as áreas
consideradas alagáveis que contornam os fluxos naturais de água. Com isso, muitos
lotes não possuem geometria retangular e suas dimensões ultrapassam 10 x 30 m,
visando melhor aproveitamento da área disponível para ocupação.
Há uma segunda rua diretriz sugerida transversal à que atravessa a área no
sentido norte-sul (Figura 8). Contudo, essa segunda rua diretriz corta um dos fluxos
naturais de água e passa pela área com menor cota, área está que deverá abrigar
uma bacia de detenção. Assim, sugeriu-se que essa segunda rua diretriz não seja
executada e ignorou-se a sua existência no decorrer do trabalho.
A Figura 12 permite obter uma visão ampla do loteamento. Contudo, para
proporcionar uma visão mais detalhada, produziram-se outras 4 imagens (Figuras 13
a 16). Nessas imagens, os dispositivos estão indicados, sendo T as trincheiras de
infiltração, MR os microrreservatórios, V os valos de infiltração e BD as bacias de
detenção. A Figura 13 permite observar a vala de infiltração V1 e boa parte da área
que contribui para a Bacia de Detenção BD-1. A Figura 14 permite observar a área
que contribui para a bacia de infiltração (“Área verde destinada à recreação 2” e os 6
lotes que estão no canto superior direito da imagem). A Figura 15 permite observar a
bacia de detenção BD-1 e a Figura 16 permite observar a bacia de detenção BD-2, a
vala de infiltração V2, os microrreservatórios (MR) e a forma com que estão
dispostas as vias dentro do loteamento. As curvas de nível expostas na imagem
reproduzem o relevo natural do terreno e não os níveis após a terraplenagem.
45
Figura 12. Vista geral do loteamento (sem escala), sendo T as trincheiras de infiltração, MR
os microrreservatórios, V os valos de infiltração e BD as bacias de detenção.
46
Figura 13. Planta baixa do quadrante superior esquerdo do loteamento
47
Figura 14. Planta baixa do quadrante superior direito do loteamento
48
Figura 15. Planta baixa do quadrante inferior esquerdo do loteamento
49
Figura 16. Planta baixa do quadrante inferior direito do loteamento
50
5.1 Trincheiras de Infiltração
A metodologia utilizada para dimensionar as trincheiras de infiltração, por ser
largamente utilizada, é a de Urbonas e Stahre (1993), descrita no item 4.3.5.
Primeiramente, supôs-se que a água gerada pelos lotes e pelas vias com um
período de retorno de 10 anos fosse drenada apenas com o uso de trincheiras de
infiltração. Contudo, no trecho considerado mais crítico (área composta por 6 lotes e
a denominada “Área Verde Destinada à Recreação 2” a qual é drenada para a
trincheira de infiltração T5, conforme Figura 14), com uma área de drenagem de
5133 m², utilizando-se 64 m de trincheira com 80 cm de largura e material de
preenchimento com porosidade de 30%, foi necessária uma profundidade de 11,36
mi. Assim, considerou-se inviável apenas o uso de trincheiras para essa área.
Na sequência, tentou-se drenar a água da Área Verde Destinada à Recreação
2 para uma área com pavimento permeável e, assim, utilizar as trincheiras para
drenar apenas a água escoada dos lotes, da via pavimentada e da calçada.
Contudo, para dimensões semelhantes de trincheira, para uma área de drenagem,
então, de 2386 m² seria necessária uma profundidade de 7,58 m, o que foi
considerado igualmente inviávelii.
Devido a inviabilidade de execução das composições acima, verificou-se a
utilização das trincheiras de modo a drenar somente a água proveniente das
calçadas e vias pavimentadas somada à vazão efluente dos lotes, sendo esta igual a
vazão de restrição de 20,8 L.s-1.ha-1. Assim, além da área de contribuição de 407 m²,
nesse trecho crítico, com coeficiente de escoamento igual a 0,90, a trincheira
recebeu uma vazão efluente dos lotes igual a 4,12 L.s-1. Com isso, foi dimensionada
uma trincheira com profundidade igual a 4,90 m, o que se julgou inviável
economicamente devido à profundidade de escavação e custos com material de
preenchimento e escoramento.
Enfim, verificou-se que é economicamente viável utilizar as trincheiras de
infiltração para controlarem apenas o escoamento gerado pelas vias pavimentadas e
pelas calçadas. Assim, em algumas partes do loteamento, cada lote deverá ter um
i com coeficiente de escoamento ponderado 0,506 e taxa de infiltração de água no solo igual a 6,35 mm.h
-1,
ii com coeficiente de escoamento ponderado de 0,735.
51
microrreservatório que envie direto para uma bacia de detenção a vazão de restrição
de 20,8 L.s-1.ha-1.
A Figura 16 mostra o layout final da solução encontrada, com um
microrreservatório dentro de cada lote e com a trincheira de infiltração recebendo
água apenas proveniente da via pavimentada e da calçada. No extremo sul desta
figura, encontra-se a Bacia de Detenção (BD-2) que recebe a vazão proveniente dos
microrreservatórios que estão em cada lote. A Figura 14 mostra a praça com
brinquedos que funcionará como Bacia de Infiltração e receberá a água proveniente
dos seis lotes localizados ao extremo norte do loteamento e da “Área Verde
Destinada à Recreação 2”.
A Tabela 6 mostra a profundidade, área de contribuição e coeficiente de
escoamento ponderado para cada trincheira. A nomenclatura das trincheiras pode
ser observada na Figura 12.
Tabela 6. Dados das trincheiras de infiltração
Trincheira
de
Infiltração
Área de
Contribuição
(m²)
Coeficiente
de
Escoamento
Comprimento
da Trincheira
(m)
Largura da
Trincheira
(m)
Profundidade da
camada de
armazenamento (m)
T1 749 0,900 82,00 1,00 1,70
T2 761 0,900 78,00 1,00 1,80
T3 300 0,900 42,00 0,80 1,60
T4 300 0,900 42,00 0,80 1,60
T5 402 0,900 66,00 0,80 1,40
T6 389 0,900 59,00 0,80 1,50
T7 468 0,900 72,00 0,80 1,50
T8 557 0,900 85,00 0,80 1,50
T9 396 0,900 57,00 0,80 1,60
T10 427 0,900 62,00 0,80 1,60
T11* 638 0,900 62,00 1,00 1,70
T12 1269 0,900 132,00 1,00 1,80
T13 483 0,900 71,00 0,80 1,60
T14 486 0,900 71,00 0,80 1,60
T15* 664 0,900 63,00 1,00 1,70
* Essas trincheiras deverão ser preenchidas com material britado com 35% de porosidade.
52
5.2 Valos de Infiltração
Quanto ao Valo de Infiltração 1 (V1), para a drenagem da “Área Verde
Destinada à Recreação 1” (Figura 13) mais a drenagem dos lotes junto à essa área,
utilizando-se a metodologia CIRIA (1996), descrita no 4.3.4, encontrou-se que o
comprimento necessário ( ) para infiltrar a taxa média de fluxo de 0,281 m³.s-1,
referente à área de 22170 m² (com coeficiente de escoamento de 0,511, com tempo
de concentração de aproximadamente 11 minutos e período de recorrência de 10
anos) é 193 m. Como há disponibilidade de 197 m para este valo, verificou-se não
haver problemas quanto à sua utilização como canal de escoamento com infiltração
tridimensional. Para tanto, os taludes laterais devem ter inclinação 8H:1V, o canal
deve possuir 10 m de largura e 0,625 m de profundidade. A declividade longitudinal
máxima encontrada no canal foi no trecho inicial deste, sendo esta 0,020 m/m,
correspondendo às orientações de Urbonas e Stahre (1993). O coeficiente de
rugosidade de Manning considerado foi 0,10, visando representar a alta resistência
ao escoamento provocada pela vegetação no interior do valo, conforme CIRIA
(2007) e conforme discutido em Valos de Infiltração, item 3.4.3.
Quanto ao valo que tangencia a via principal do loteamento (Valo de
Infiltração – V2), utilizando-se a metodologia CIRIA (1996), encontrou-se que o
comprimento necessário ( ) para infiltrar a taxa média de fluxo de 0,097 m³.s-1,
referente à área de 5711 m² (com coeficiente de escoamento de 0,592, com tempo
de concentração de aproximadamente 7 minutos e período de recorrência de 10
anos) é 103 m. Como há disponibilidade de 130 m para este valo, verificou-se não
haver problemas quanto à sua utilização como canal de escoamento com infiltração
tridimensional. As características geométricas deste valo de infiltração são idênticas
as do valo anterior, com exceção à máxima declividade longitudinal encontrada, que
foi 0,025 m/m, e ao seu comprimento. Assim, nesse ponto específico, deverá ser
colocado um pequeno obstáculo ao escoamento da água visando reduzir a
velocidade de escoamento tal como mostrado na Figura 17.
53
Figura 17. Detalhe dos obstáculos necessários aos Valos de Infiltração quando a declividade
for superior a 2%. Adaptado de: Urbonas e Stahre, 1993 (apud PMPA/IPH, 2005)
5.3 Bacia de Infiltração
A única bacia de infiltração presente neste trabalho (Figura 14) é responsável
por drenar a água da “Área Verde destinada à Recreação 2” e dos 6 lotes que estão
junto à Estrada Gedeon Leite à leste da Rua Principal, compondo uma área de 5405
m². Visando proporcionar múltiplos usos para estruturas de combate às cheias, esta
bacia de infiltração será uma “pracinha infantil”, localizada na área destinada à
recreação 2.
O método de dimensionamento utilizado é o proposto por Silveira e
Goldenfum (2007), descrito no item 4.3.2. A área da base do dispositivo com
capacidade de infiltração é 219 m². O coeficiente de escoamento ponderado foi
calculado em 0,466, a intensidade da chuva, para 10 minutos de tempo de
concentração, foi calculada em 94,0 mm.h-1 a partir da IDF de Talbot com correção
de 2,26 para o parâmetro e, assim, a vazão máxima foi calculada em 0,066 m³.s-1.
No caso desta bacia, ela é apenas de infiltração e não mista, já que não há
nenhuma saída de água da bacia além da infiltração pela sua base. Nesse caso, foi
utilizado o fator para a colmatação e taxa de infiltração igual a 6,35 mm.h-1.
Assim, encontrou-se um volume necessário para armazenamento de água de 75,48
m³. Dividindo-se esse valor pela área superficial de infiltração de 219 m² da
pracinha, verifica-se que deve haver o armazenamento de uma lâmina d’água de 35
cm. Assim, a pracinha deverá ficar enterrada 36 cm abaixo do nível da superfície,
54
permitindo a execução de 2 degraus e rampas de acesso, visando o conforto das
crianças e demais usuários.
5.4 Microrreservatórios
Os microrreservatórios foram utilizados em alguns lotes em função de as
trincheiras de infiltração não serem suficientes para drenar o escoamento das vias
públicas mais o escoamento dos lotes, nas configurações de solo utilizadas nesse
trabalho. Assim, dimensionaram-se os microrreservatórios a partir da metodologia do
Decreto Nº 15.371 de 2006 apresentada no item 4.3.1. As suposições feitas para o
dimensionamento dos microrreservatórios é que esses possuem como área de
contribuição apenas o lote em questão, o qual foi considerado 66,6%
impermeabilizado, e que os reservatórios são estanques.
A Tabela 7 apresenta as características de cada microrreservatório (MR), a
partir da sua nomenclatura, a qual pode ser observada na Figura 12.
Tabela 7. Dados dos microrreservatórios
Microrreservatório
Área de
Contribuição
(m²)
Máx. vazão
de saída
(L/s)
Vol.
(m³)
Larg.
(m)
Compr.
(m)
Prof.
(m)
Diâm. do
Orifício de
saída (mm)
MR 1 300 0,624 8,504 2,5 2,5 1,4 25
MR 2 300 0,624 8,504 2,5 2,5 1,4 25
MR 3 300 0,624 8,504 2,5 2,5 1,4 25
MR 4 300 0,624 8,504 2,5 2,5 1,4 25
MR 5 300 0,624 8,504 2,5 2,5 1,4 25
MR 6 300 0,624 8,504 2,5 2,5 1,4 25
MR 7 638 1,327 18,086 3,5 3,5 1,5 25
MR 8 449 0,934 12,728 3,0 3,0 1,4 25
MR 9 390 0,811 11,056 3,0 3,0 1,3 25
MR 10 454 0,940 12,813 3,0 3,0 1,4 25
MR 11 606 1,260 17,179 3,5 3,5 1,4 25
MR 12 300 0,624 8,504 2,5 2,5 1,4 25
MR 13 300 0,624 8,504 2,5 2,5 1,4 25
MR 14 300 0,624 8,504 2,5 2,5 1,4 25
MR 15 296 0,616 8,391 2,5 2,5 1,4 25
55
O descarregador de fundo utilizado é do tipo orifício, permitindo a liberação
gradual da água armazenada. O diâmetro do orifício foi obtido a partir dos ábacos da
página 72 do Manual de Drenagem Urbana de Porto Alegre, em função da vazão e
da carga hidráulica.
5.5 Capacidade de drenagem a jusante do loteamento
A jusante do loteamento, conforme cadastro cedido pelo Departamento de
Esgotos Pluviais de Porto Alegre, encontra-se o Loteamento Residencial Lagos de
Nova Ipanema. Na extensão da rua principal do condomínio em estudo, denominada
Rua Diretriz 6356, há um poço de visita (PV) com condições de receber o efluente
dos reservatórios de detenção. A superfície desse PV encontra-se na cota 16,7 m. A
rede de drenagem, a partir desse PV, possui 300 mm de diâmetro. Como o
cobrimento é 90 cm, a cota de fundo desse PV é 15,50 m.
Assim, a partir da equação de Manning, definiu-se a vazão que é possível fluir
das bacias de detenção para a rede de drenagem existente. Para tanto, considerou-
se o coeficiente de rugosidade ( ) como sendo 0,014; a declividade do tubo como
sendo 0,0043 m.m-1 (
), e; seção totalmente preenchida.
A Equação 10 mostra o cálculo e a capacidade de transporte desta seção da
rede, como segue:
Sendo a área da seção (m²); o coeficiente de rugosidade de Manning; R
o raio hidráulico, e; a declividade (m.m-1).
Supondo-se que se possa utilizar 70% dessa capacidade para os efluentes
das bacias de detenção, permitiu-se ter como vazão produzida por todo o
loteamento o valor de 0,041 m³.s-1. Esse valor é bastante restritivo e muito menor do
que a vazão de restrição estabelecida pelo Decreto Nº 15.371 de 2006, que permite
20,8 l.s-1.ha-1, ou seja, 0,101 m³.s-1.
Outro grande fator limitante desta rede de drenagem é a cota de fundo do PV
(15,50 m). Como a saída da bacia de detenção que se encontra mais afastada deste
PV está a cerca de 40 m do poço, considerando-se uma declividade de 0,5%, a cota
56
do descarregador de fundo da bacia não pode ser inferior a 15,70 m, restando
apenas 1,3 m de profundidade para o reservatório.
Existe, nos registros de altimetria fornecidos pelo DEP, um corpo hídrico que
seria uma extensão do fluxo de água presente no Valo de Infiltração 1. Contudo, nos
cadastros do DEP, esse corpo hídrico não pode ser visualizado. Com isso, optou-se
por não utilizar esse corpo hídrico como receptor das águas do loteamento.
Dessa forma, verificou-se que a restrição de vazão de saída foi estabelecida
pela rede de drenagem existente, e não pela vazão de restrição estabelecida pelo
Decreto Nº 15.371. Assim, não poderá fluir das bacias de detenção vazões,
somadas superior a 0,041 m³.s-1 e a cota da geratriz inferior dos descarregadores de
fundo das bacias não poderá ser superior a 15,70 m.
5.6 Bacias de Detenção
Para o dimensionamento das bacias de detenção foi utilizada uma simulação
pelo Método de Puls, conforme Tucci (2005), como descrito no item 4.3.3. Para isso,
foi utilizado o software IPHS-1, versão 2.11. Não foi considerado o escoamento
gerado pelas calçadas, vias e pela área composta pelos 6 lotes ao leste da via
principal que se encontram junto à Estrada Gedeon Leite e a “Área Verde destinada
à Recreação 2” (Figura 14), já que o escoamento proveniente dessas áreas deve
recarregar o solo através das trincheiras de infiltração e da bacia de infiltração.
Quanto à Bacia de Detenção 1 (BD 1), a área da bacia de contribuição é
22159 m² (ou 0,0222 km²) e o tempo de concentração foi estimado por Kirpich e
resultou em 7,1 min. O diâmetro da superfície da bacia é 40 m, resultando numa
área superficial alagada de 1256 m². Os taludes internos à bacia são de 8H:1V e a
capacidade do reservatório é 865 m³.
Quanto à Bacia de Detenção 2 (BD 2), a área da bacia de contribuição é 6960
m² (ou 0,0070 km²) e o tempo de concentração foi estimado por Kirpich e resultou
em 3,6 min. Além disso, há a entrada da vazão de restrição proveniente dos
microrreservatórios de alguns lotes (Figura 16), quantificada em 11,504 L.s-1. Para
considerar a vazão de restrição, simulou-se no IPHS-1 um reservatório
representando todos os microrreservatórios instalados. Para isso, utilizou-se área de
contribuição igual a 0,0055 km², tempo de concentração igual a 5 minutos, máxima
vazão de saída igual a 11,504 L.s-1, volume de armazenamento igual a 156,789 m³ e
57
diâmetro do orifício de saída igual a 70 mm. Vale salientar que a precisão do IPHS-1
quando se trabalha com vazões é de 0,01 m³.s-1 e, assim, aproximou-se essa à
vazão de restrição, já que este é o valor possível de se considerar na simulação
mais próximo à real vazão de restrição para o caso. O diâmetro da superfície da
bacia é 13 m, resultando numa área superficial alagada de 1256 m². Os taludes
internos à bacia são de 8H:1V e a capacidade do reservatório é 279 m³.
O esquema da simulação hidrológica pode ser observado na Figura 18. A
propagação do escoamento entre os reservatórios e dos reservatórios até o Poço de
Visita (PV) foi feita pelo método Muskingum-Cunge Não Linear para Condutos
Fechados, conforme descrito por Tucci (2005).
Figura 18. Esquema da simulação hidrológica das bacias de detenção no IPHS-1
As características das tubulações e reservatórios são apresentadas na Tabela
8 para período de retorno de 15 anos.
A metodologia empregada para o dimensionamento dos microrreservatórios
(Prefeitura Municipal de Porto Alegre, 2006) foi criada para precipitação com
duração de 1 hora e período de recorrência de 10 anos. Assim, as características do
reservatório que representa os microrreservatórios tiveram que ser alteradas quando
foi feita a verificação dos reservatórios para período de retorno de 25 anos,
permitindo que o volume gerado pelos lotes com drenagem na fonte seja propagado
para o BD-2.
58
Tabela 8. Características das bacias de detenção implantadas no loteamento
Equipamento Característica
BD-1
Curva cota-volume
Cota máxima do
reservatório (m) 1,10
Volume (m³) 864,64
Coef. descarga
vertedor 1,836
Largura vertedor (m) 7,00
Cota da crista vertedor
(m) 1,00
Coef. descarga orifício 0,62
Área do orifício (m²) 0,0078
Altura do eixo (m) 0,00
BD-2
Curva cota-volume
Cota máxima do
reservatório (m) 1,10
Volume (m³) 279,25
Coef. descarga
vertedor 1,836
Largura vertedor (m) 6,00
cota da crista vertedor
(m) 1,00
Coef. descarga orifício 0,62
Área do orifício (m²) 0,0078
Altura do eixo (m) 0,00
Trecho-1
Compr. trecho (m) 90,00
Cota de fundo de
montante (m) 15,80
Cota de fundo de
jusante (m) 15,50
Diâmetro (m) 0,50
Trecho-2
Compr. trecho (m) 70,00
Cota de fundo de
montante (m) 15,80
Cota de fundo de
jusante (m) 15,50
Diâmetro (m) 0,50
59
O sistema apresentou bom funcionamento para uma chuva de projeto com
período de recorrência de 15 anos e com duração de 1 hora e 24 horas, com
máxima vazão de saída no PV sendo, respectivamente, 0,03 m³.s-1 e 0,04 m³.s-1,
respeitando a vazão restringida pela microdrenagem existente à jusante do
loteamento (0,04 m³.s-1).
Para a simulação com precipitação de 24 horas de duração e 25 anos de
tempo de retorno, houve armazenamento de água apenas no trecho a jusante do
PV. No entanto, as bacias de detenção continuaram funcionando corretamente, sem
que o nível máximo fosse excedido. A vazão máxima no PV foi de 0,08 m³.s-1, sendo
esta praticamente o dobro da suportada pelo sistema existente.
Assim, conclui-se que as bacias de detenção funcionam corretamente para
eventos de projeto com período de retorno de 15, sem apresentar vertimentos. Para
eventos com períodos de retorno de 25 anos, as bacias de detenção apresentam
vertimentos da ordem de 123 m³ (com vazão máxima 0,04 m³.s-1, para a BD-1) e 6
m³ (com vazão máxima 0,01 m³.s-1, para a BD-2) para precipitações com 24 horas
de duração.
A Tabela 9 apresenta os dados de cota máxima nos reservatórios, tempo de
esvaziamento, vazão máxima de saída e volume de vertimento para as simulações
com eventos de chuva com 24 horas de duração.
Tabela 9. Dados das Bacias de Detenção - eventos com 24 horas de duração
BD-1
(15 anos)
BD-2
(15 anos)
BD-1
(25 anos)
BD-2
(25 anos)
Cota máxima atingida (m) 0,98 0,96 1,01 1,00
Tempo de esvaziamento (horas) 32,9 23,7 33,7 24,7
Vazão máxima (m³.s-1) 0,02 0,02 0,02 0,02
Tempo de Pico do Hidrograma de
Saída (horas) 14,5 13,8 12,8 13,0
Volume de vertimento (m³) 0,0 0,0 123,0 6,0
60
5.7 Resultados e análise dos resultados da modelagem no SWMM
A análise da capacidade do SWMM em modelar técnicas de LID foi feita com
base nos resultados de simulações de dois cenários: valos de infiltração funcionando
corretamente e valos de infiltração totalmente colmatados.
Ao simular o cenário com valos de infiltração funcionando, com uma
precipitação com 24 horas de duração e período de retorno de 15 anos, obtiveram-
se os resultados apresentados a seguir. Nesses resultados, volume de
transbordamento é aquele que ocorre quando o nível máximo da estrutura avaliada
é superado, e o volume de extravasamento é aquele que flui através do vertedor.
Na bacia de detenção BD-1 – máxima vazão de entrada: 0,35
m³.s-1 (em 12h10min); máxima lâmina d’água: 1,07 m (em
12h31min); não houve transbordamento; houve extravasamento
de 683 m³;
Na bacia de detenção BD-2 – máxima vazão de entrada: 0,46
m³.s-1 (em 12h07min); máxima lâmina d’água: 1,10 m (em
12h06min); houve transbordamento de 40,8 m³; houve
extravasamento de 728 m³;
Na bacia de infiltração – máxima vazão de entrada: 0,16 m³.s-1
(em 12h05min); máxima lâmina d’água: 0,34 m (em 12h04min);
não houve transbordamento; houve extravasamento de 419 m³;
No PV – máxima vazão de entrada: 0,37 m³.s-1 (em 12h29min);
máxima lâmina d’água: 1,20 m (em 12h05min e em 12h24min);
houve transbordamento de 76,8 m³.
Após, consideraram-se os valos de infiltração totalmente colmatados, da
mesma forma com que se dimensionaram as bacias de detenção com o uso do
Método de Puls. Assim, simplesmente, retiraram-se os valos de infiltração das suas
sub-bacias correspondentes. A simulação foi feita novamente com uma precipitação
de projeto com 24 horas de duração de período de retorno de 15 anos, de forma a
se obterem os seguintes resultados:
Na bacia de detenção BD-1 – máxima vazão de entrada: 0,33
m³.s-1 (em 12h10min); máxima lâmina d’água: 1,06 m (em
12h32min); não houve transbordamento; houve extravasamento
de 651 m³;
61
Na bacia de detenção BD-2 – máxima vazão de entrada: 0,46
m³.s-1 (em 12h07min); máxima lâmina d’água: 1,10 m (em
12h06min); houve transbordamento de 37,8 m³; houve
extravasamento de 721 m³;
Na bacia de infiltração – máxima vazão de entrada: 0,16 m³.s-1
(em 12h05min); máxima lâmina d’água: 0,34 m (em 12h04min);
não houve transbordamento; houve extravasamento de 419 m³;
No PV – máxima vazão de entrada: 0,35 m³.s-1 (em 12h06min);
máxima lâmina d’água: 1,20 m (em 12h05min e em 12h30min);
houve transbordamento de 43,2 m³.
Esperava-se que, conforme fossem retirados os valos de infiltração, os
transbordamentos, cotas e vazões fossem aumentar e os tempos de pico fossem
diminuir. Contudo, não foi isso o que ocorreu.
Primeiramente, analisou-se a bacia de infiltração. Este dispositivo encontra-se
em local sem influência dos valos de infiltração e, assim, conforme o esperado, não
houve qualquer alteração de resultado entre os diferentes cenários. Esta análise foi
feita pretendendo observar alguma falha ocorrida no SWMM pelo simples fato de ser
utilizado o módulo LID vegetative swale. Essa falhas foram julgadas inexistentes
com base nos resultados.
Após, observam-se as diferenças ocorridas nas bacias de detenção. Ao
contrário do que se esperava, reduziram-se as vazões, o extravasamento da BD-2, o
transbordamento da BD-2 e os tempos de pico aumentaram ou permaneceram
constantes. Salienta-se aqui que houve menos mudanças nos resultadas da BD-2
do que nos resultados da BD-1. Isso pode ter ocorrido em função de a BD-1 estar
sujeita a maiores vazões.
As diferenças observadas no PV também se diferem daquelas esperadas.
Conforme o valo de infiltração perdeu sua utilidade, reduziram-se as vazões de
entrada no PV (e, portanto, as vazões de saída do loteamento) e os
transbordamentos.
A última análise que se fez quanto ao uso do SWMM foi comparar o resultado
da simulação que apresenta um segundo exutório recebendo a água proveniente
das trincheiras de infiltração e da bacia de infiltração com aquele obtido aplicando-se
diferentes metodologias de dimensionamentos individualmente aos dispositivos,
resumido pela simulação no software IPHS-1.
62
Ao utilizar os métodos de dimensionamento de dispositivos LID sugeridos por
CIRIA (1996), Tucci (2005), Silveira e Goldenfum (2007) e Urbonas e Stahre (1993),
dimensionaram-se os dispositivos de modo a que todo o volume de água infiltrasse
no solo ou que a máxima vazão de saída do dispositivo fosse equivalente à vazão
de restrição. Ainda, como medida de segurança, tanto no SWMM como no IPHS-1,
os valos de infiltração foram considerados totalmente colmatados. Aplicou-se uma
precipitação de projeto com duração de 24 horas de período de retorno de 15 anos
em ambos os modelos. Assim sendo, esperava-se que a máxima vazão de entrada
no PV na simulação do SWMM fosse próxima a 0,04 m³.s-1, que foi a vazão
encontrada na simulação no IPHS-1 e está de acordo com a capacidade do sistema
de drenagem existente a jusante.
Salienta-se aqui que esta vazão é amortecida pelas bacias de detenção BD-1
e BD-2 e provém dos lotes presentes a oeste da via norte-sul do condomínio, dos
lotes com microrreservatórios, dos lotes localizados junto ao valo de infiltração V-2 e
das áreas verdes cujas vazões não foram drenadas para trincheiras de infiltração ou
para a bacia de infiltração. Contudo, observa-se que no SWMM a máxima vazão
afluente ao PV é 0,15 m³.s-1.
Comparando-se os resultados observados nas bacias de detenção, utiliza-se
a Tabela 10, com os resultados do IPHS-1 para as bacias de detenção BD-1 e BD-2
e com os dados do SWMM. Todos os resultados foram obtidos com eventos de
projeto com 24 horas de duração e período de retorno de 15 anos.
Tabela 10. Resultados do SWMM e do IPHS-1 para as bacias de detenção
BD-1
(IPHS-1)
BD-2
(IPHS-1)
BD-1
(SWMM)
BD-2
(SWMM)
Cota máxima atingida (m) 0,98 0,96 1,04 1,05
Tempo de esvaziamento (horas) 32,9 23,7 36,4 23,0
Vazão máxima (m³.s-1) 0,02 0,02 0,02 0,02
Tempo de Pico do Hidrograma de
Saída (horas) 14,5 13,8 13,3 12,2
Volume de vertimento (m³) 0,0 0,0 370 170
As diferenças observadas são proporcionais, ou seja, como há maior
propagação de vazão na simulação do SWMM, as cotas atingidas nos reservatórios
63
são maiores e, portanto, surgem vertimentos. O maior escoamento verificado nas
simulações do SWMM pode ter ocorrido em virtude do LID rain barrel comportar-se
diferente do reservatório simulado no IPHS-1, conforme discutido no item 5.6.
5.8 Projeto final
O loteamento em estudo, localizado no bairro Aberta dos Morros, em Porto
Alegre, com acesso pela Estrada Gedeon Leite, teve sua configuração urbanística
definida com base nas diretrizes do município de Porto Alegre. Dessa forma,
definiram-se as vias dentro do loteamento, as áreas com diferentes ocupações e o
percentual máximo de impermeabilização do solo, sendo este último um dado de
extrema importância ao projeto de drenagem proposto ao empreendimento.
Após, definiram-se os elementos a serem utilizados para esgotar as águas
provindas das chuvas. Foram testadas diversas configurações e combinações de
dispositivos e, por fim, selecionaram-se trincheiras de infiltração, valos de infiltração,
microrreservatórios, uma bacia de infiltração e duas bacias de detenção. Esses
dispositivos, combinados, permitiram que se propagasse para jusante uma vazão tal
que a rede de drenagem existente fosse capaz de absorver e escoar, sem a
necessidade de ampliação. Ressalta-se aqui que não foram utilizados tubos na rede
de microdrenagem além daqueles que interligaram os microrreservatórios para
transferirem suas vazões até a bacia de detenção BD-2.
Os dispositivos utilizados aqui seguiram os princípios de armazenamento,
infiltração da água no solo, ou ambos, princípios esses que embasam as técnicas
BMP (Melhores Práticas de Gestão). No entanto, quando inseridos num ambiente
com o objetivo de se manterem os processos químicos, físicos e biológicos e as
características hidrológicas similares ao que se tinha antes da ocupação do local,
esses dispositivos passam a pertencer às técnicas LID, que possibilitam um
desenvolvimento de baixo impacto.
Dessa forma, procurou-se inserir os dispositivos de drenagem respeitando-se
as ideias de LID. Para tanto, definiram-se dois fluxos naturais de água como
principais e os utilizou-se para o posicionamento dos valos de infiltração. Como
exemplo, mostra-se aqui o valo de infiltração V1 (Figura 19), que manteve o caminho
natural das águas.
64
Figura 19. Valo de Infiltração (V1), o qual manteve o caminho natural das água
(representação em planta)
Outro aspecto muito importante do LID é buscar a inserção da população nos
locais onde os dispositivos estão instalados. Dessa forma, busca-se um projeto de
drenagem com forte apelo estético e potencial paisagístico, transformando os locais
em áreas de recreação e lazer. Assim, criaram-se, junto aos valos de infiltração,
ambientes agradáveis aos moradores do loteamento. A Figura 20 mostra como
poderia ser definido o local de implantação do Valo de Infiltração V1, onde se nota a
presença de bancos junto às árvores, criando-se um ambiente agradável aos
usuários.
Figura 20. Perspectiva do local de implantação do valo de infiltração V1
65
Para a implantação das trincheiras de infiltração, tentou-se promover a
inserção desses dispositivos como parte integrante da configuração urbanística do
loteamento. Dessa forma, esses dispositivos foram localizados junto ao meio-fio das
vias. A Figura 21 mostra as trincheiras de infiltração junto ao meio-fio nas vias sem
saída, onde se observa uma ocupação com forte apelo ambiental, utilizando-se de
árvores e áreas gramadas junto às residências. A Figura 22 mostra a inserção dos
dispositivos no ambiente de modo integrado, com grande proximidade um do outro.
Como há a presença dos dispositivos LID, o local passou a ser, também,
hidrologicamente funcional.
Figura 21. Via sem saída com presença de trincheiras de infiltração junto ao meio-fio.
Figura 22. Imagem com diferentes dispositivos em um mesmo ambiente trabalhando de forma integrada
66
6 CONCLUSÕES
Para este trabalho, estudou-se uma microbacia urbana real, localizada em
Porto Alegre – RS, onde está inserida uma grande área onde se estabeleceu um
loteamento fictício. A configuração urbanística deste loteamento foi feita com base
nas normas e diretrizes municipais.
Com base nos princípios de Desenvolvimento de Baixo Impacto (LID), a
infiltração de água no solo é muito importante, pois possibilita a manutenção das
características hidrológicas de pré-ocupação da área. Assim, um parâmetro muito
importante para este tipo de projeto é a taxa básica de infiltração de água no solo.
Conforme trabalhos e materiais consultados, verificou-se que o loteamento
encontra-se em uma área com solos pertencentes ao Grupo Hidrológico D, cuja
presença impossibilita o uso de dispositivos que promovam infiltração de água no
solo, conforme Urbonas e Stahre (1993). Gonçalves, Silva e Risso (2007)
produziram um mapa com os parâmetros CN para Porto Alegre e concluíram que
aproximadamente 83% da cidade apresentam valores de CN superiores a 75 (solos
pertencentes aos Grupos Hidrológicos C e D), o que caracteriza as bacias de Porto
Alegre como bacias de média e alta capacidade de geração de escoamento
superficial. Com isso, nota-se grande dificuldade em utilizar dispositivos LID na
cidade de Porto Alegre.
Salienta-se aqui que os estudos citados como fontes de dados de solo foram
feitos em grandes áreas com precisão inadequada para a avaliação de lotes e,
quando houver a real intenção de se utilizar dispositivos LID para drenagem na
fonte, deverão ser realizados ensaios de infiltração para se definir a taxa básica de
infiltração no solo e, assim, avaliar a viabilidade dos seus usos. Sendo este um
trabalho acadêmico, a taxa básica de infiltração foi definida com base em tabelas,
cujos valores não representam necessariamente a realidade dos locais, pois sevem
apenas como estimativas.
Quando se iniciou o dimensionamento dos dispositivos, tentou-se drenar uma
área razoavelmente grande para as trincheiras de infiltração, o que as tornou
economicamente e quase que tecnicamente inviáveis. Assim, reduziu-se a área de
contribuição duas vezes até que se viabilizasse o uso de trincheiras e, dessa forma,
67
as trincheiras ficaram responsáveis pelo controle de escoamento gerado pelas vias
pavimentadas e pelas calçadas.
Reafirma-se, com isso, a importância de se utilizarem diferentes dispositivos
LID combinados, de modo a cada dispositivo controlar uma pequena parte do
escoamento. A taxa de infiltração utilizada nesse trabalho foi baixa (6,35 mm.hr -1) e
conforme seja maior a taxa de infiltração, maior será a capacidade de cada
dispositivo controlar individualmente o escoamento. No entanto, a aplicação de
diversos dispositivos integrados permite projetos mais eficientes, diversificados e
ambientalmente mais adequados, devido à presença de vegetação inserida com
apelo estético e ambiental aos locais, seguindo as ideias de LID.
Neste trabalho se conseguiu controlar toda a vazão gerada sem o uso de
tubulações no sistema de microdrenagem. Isso permite uma economia bastante
grande. Como não está no escopo desse trabalho uma análise financeira, não foi
avaliada qual técnica de drenagem (LID ou convencional) apresenta o menor custo.
Contudo, segundo bibliografia especializada, muitas vezes os projetos com LID são
mais econômicos.
Ainda, os benefícios dos dispositivos LID não são apenas financeiros.
Conforme tratado em diversas partes desse trabalho, o uso de LID controla as
vazões escoadas diretamente na fonte, sem transferi-las a jusante. Dessa forma,
não há a necessidade de ampliar as redes existentes a jusante, conforme
exemplificado neste trabalho, onde a vazão máxima efluente do loteamento foi muito
similar à máxima vazão permitida pelo sistema de microdrenagem existente no
loteamento Residencial Lagos de Nova Ipanema.
Enfim, a cerca da aplicação de LID, conclui-se que as técnicas de
Desenvolvimento de Baixo Impacto apresentam muitos benefícios, os quais variam
de caso a caso. No município de Porto Alegre, devido aos solos com elevada
capacidade de geração de escoamento superficial, a aplicação de dispositivos LID
que se utilizam de infiltração de água no solo pode ser complicada tecnicamente e
cara. Dessa forma, podem ser utilizados dispositivos que se utilizam de
armazenamento de água, como microrreservatórios e bacias de detenção,
preferencialmente combinados.
O software SWMM (Storm Water Management Model) comportou-se de
maneira inesperada ao se utilizar o módulo LID. Como não se tem acesso aos dados
parciais e nem mesmo à metodologia exata utilizada pelo SWMM para modelar os
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processos envolvidos, não se sabe exatamente o motivo de alguns resultados
duvidosos.
Cabe ressaltar aqui que o SWMM trata os dispositivos LID como propriedades
das sub-bacias e, dessa forma, a consideração da posição do dispositivo na sub-
bacia só é levado em conta com uma elevada discretização espacial do problema.
No entanto, ao realizarem-se grandes discretizações, as áreas de contribuição, e
vazões, ficam muito pequenas em cada sub-bacia, produzindo erros de
truncamento/estabilidade numérica nas simulações. Assim, não se recomenda o uso
do SWMM para representar processos de pequena escala.
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