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Baixe Notas de aulaNotas de aula e outras Notas de aula em PDF para Materiais e Sistemas de Construção, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM PLUVIAL UTILIZANDO METODOS 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 METODOS 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: Prof2. Dr?. Rutinéia Tassi Santa Maria, RS, Brasil 2014 “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 METODOS 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 .23 Figura 7. Contorno do loteamento sobre imagem de satélite. Adaptado de: Google Earth... rereeterarereetararneraraeararraratrnaa 26 infiltração. Fonte: Allasia, Tassi e Gonçalves, 2011... Figura 8. Loteamento em condição de pré-ocupação. As linhas azuis indicam o fluxo natural de água Sem escala. .............teeerereerererereeerererereerrereeererereererees 30 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... 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 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... Figura 13. Planta baixa do quadrante superior esquerdo do loteamento Figura 14. Planta baixa do quadrante superior direito do loteamento............. 47 Figura 15. Planta baixa do quadrante inferior esquerdo do loteamento.......... 48 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA... sistemas 5 2 OBJETIVOS... retencao 7 21 Objetivo geral............eereeeenerereeeeererereerererecerereereerererececeerereerererenenene 7 2.2 Objetivos específicos 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 3.1 Hidrologia Urbana e os Impactos da Urbanização . 3.2 Sistemas de Drenagem: concepção, evolução e conceitos atuais............. 9 3.21 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 7 3.41 Barris de Chuva (ou Microrreservatórios)... 3.4.2 Trincheira de infiltração... ieietresaseeeeeeaaeeereranee 20 3.4.3 Valos de Infiltração .................. nl iteteeaeeeeeeaeeeeeeaaeeneeeaeas 20 3.4.4 Bacias de Detenção ................ is eteeataseeeaeareeereaneeeeanans 23 4 MATERIAIS E MÉTODOS ............... sistemas 25 4.1 Local de estudo ................ ii iieeereeeaaeeeeeeaaeereeeaaeeereeaaeenreeaaeenenaaeea 4.2 Definição da configuração urbanística do loteamento 4.3 Métodos de dimensionamento dos dispositivos LID e BMP.... 4.31 Microrreservatório — Decreto Nº 15.371 (PMPA, 2006). 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 44 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 .. 5 RESULTADOS... 5.1 Trincheiras de Infiltração .................. si iseieeeeeceeeeeeeaeeerraneeeaanaa 50 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 Valos de Infiltração Bacia de Infiltração Microrreservatórios Capacidade de drenagem a jusante do loteamento .. Bacias de Detenção Resultados e análise dos resultados da modelagem no SWMM.............. 60 Projeto final................. ie retaeeeeeeaaeereeeaseeeeeeaneeereeaaeaneenaseanenaneea 83 CONCLUSÕES... eee 66 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... sistemas 69 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 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, 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 etal., 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; a Utilizar métodos simples, estruturais e não estruturais de forma integrada; “ Promover a participação pública; 14 “4 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: “4 Passo 1: Identificar o zoneamento aplicável, o uso do solo, subdivisões e outros reguladores locais; 4 Passo 2: Definir os locais a serem protegidos; e 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; err Passo 7: Modificar ou aumentar os trajetos de escoamento devido à drenagem; e 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 18 presença de solos pertencentes ao grupo hidrológico C (pela classificação do SCS) ou quando a condutividade hidráulica dos solos saturados for menor que 2 x 105 m/s. 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 Faixa com filtro | Largura y ES NEN NS RS. Manta geotêxtil ou filtro ER a NS permeável (30 em sob a superfície) /2Pa Camada com material britado (armazenamento) Filtro de areia ou manta geotêxtil 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: a 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 23 subterrâneos com capacidade em torno de 2 L.s!.ha! 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. 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'!, 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 Taxa de Infiltração (mm/h) do Solo lo (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 Be 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. 44 e; V. 4.5, conforme anexo 9; “4 Lotes: área mínima de 150,00 m?2 e testada mínima de 5,00 m; 30 + Quarteirões: face máxima de 200,00 m e área máxima de 22.500,00 m. 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. 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 Condutividade Hidráulica Tipo de Solo (m/s) Cascalho 10º-107 Areia 10º- 10? Silte 10º- 108 Argila (saturada) <10º Solo Cultivado 1010-108 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 “4 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 V=425XAXAI (2) sendo V o volume do reservatório (m?); 4 a área de contribuição (ha), e; AI a área impermeável que drena a precipitação para os condutos pluviais (% da área total 4). 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 2 Vnão = 10x( [ECT — [e fm) 6) sendo V,4x O volume de dimensionamento (mS.ha”); a, be c parâmetros da equação IDF de Talbot; € o coeficiente de escoamento; T é o período de retorno em anos, e; qs é a vazão de saída constante do dispositivo (mm.h)), obtido pela Equação 4. Gs = Apre + OX Ka (4) sendo qpre (mm.h”) a vazão de restrição ou vazão de pré-desenvolvimento (Qpre = 0 para bacias de infiltração); « um coeficiente redutor devido à colmatação (sendo 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 (L,) para infiltrar a taxa média de fluxo de projeto (Q). 3/8 5.3 151,361x(T2) x(Obxs5z) 3 (7) CO aêxofo (82) ] sendo L, o comprimento necessário para infiltrar a taxa média de fluxo de projeto Q; V a distância vertical da declividade lateral; H, a distância horizontal da declividade lateral mais a largura de fundo; S, a declividade longitudinal; n o coeficiente de rugosidade de Manning; i a taxa de infiltração saturada (cm.h!); Q ataxa média de fluxo de projeto (mê.s!), 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 (V,) 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. V=125x[3600x Cx (10) xtx 4] (8) sendo V. o volume de projeto afluente à trincheira (m?); C o coeficiente de escoamento; 1 a intensidade da precipitação de projeto (L.s'.ha'!); t a duração da precipitação (h) e; 4 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 (V.) a partir da Equação 9. V=kx Px 3600 xt (9) sendo V, o volume de saída (m?), k 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; Aperc é a área de infiltração ou percolação, que é a área das paredes laterais do dispositivo (m?), e; t 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 (V.) e volume de saída da trincheira (V,). 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 Ls!.ha !. 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. Q=Ex Rh x vi (10) sendo Q a vazão (mº.s”); A a área da seção molhada (m?); n o coeficiente de rugosidade de Manning; Rh o raio hidráulico, e; i a declividade (m.m”!). 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. 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 7 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. 48 AS 382 SB ÁREA VERDE DESTINADA À RECREAÇÃO 1 Quadrante Inferior Esquerdo Escala 1/750 Vai à rede existente Figura 15. Planta baixa do quadrante inferior esquerdo 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 m?, 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 m'. 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 m? seria necessária uma profundidade de 7,58 m, o que foi considerado igualmente inviável”. 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!.ha”!. Assim, além da área de contribuição de 407 mê, 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!. 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 ' com coeficiente de escoamento ponderado 0,506 e taxa de infiltração de água no solo igual a 6,35 mm.h”, * com coeficiente de escoamento ponderado de 0,735. 53 Pequenos barramentos transversais (0,62 09m) Altura para reter água Escoamento superficial Pavimento convencional Acostamento com cascalho estavilizado ou pavimento permeável 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 m?2. 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 m?. 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” a partir da IDF de Talbot com correção de 2,26 para o parâmetro a e, assim, a vazão máxima foi calculada em 0,066 mê.s””. 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 « = 0,5 para a colmatação e taxa de infiltração igual a 6,35 mm.h”. Assim, encontrou-se um volume necessário para armazenamento de água de 75,48 ms. Dividindo-se esse valor pela área superficial de infiltração de 219 m? 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 Área de Máx.vazão Vol. Diâm. do . . ia Larg. Compr. Prof. na Microrreservatório Contribuição | de saída (m?) Orifício de (m?) (L/s) (m) (m) (m) saída (mm) MR1 300 0,624 8,504 25 25 14 25 MR2 300 0,624 8,504 25 25 14 25 MR3 300 0,624 8504 25 25 14 25 MR4 300 0,624 8,504 25 25 14 25 MR5 300 0,624 8504 25 25 14 25 MR 6 300 0,624 8504 25 25 14 25 MR7 638 1,327 18086 3,5 3,5 15 25 MR8 449 0,934 12,728 3,0 3,0 14 25 MR9 390 0,811 11,056 3,0 3,0 1,3 25 MR 10 454 0,940 12813 3,0 3,0 14 25 MR 11 606 1,260 17179 35 3,5 14 25 MR 12 300 0,624 8,504 25 25 14 25 MR 13 300 0,624 8504 25 25 14 25 MR 14 300 0,624 8,504 25 25 14 25 MR 15 296 0,616 8,391 2,5 2,5 14 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 (n) como sendo 0,014; a declividade do tubo como Ao. 15,50m-—15,35: x : sendo 0,0043 m.m” (i = =), &; seção totalmente preenchida. A Equação 10 mostra o cálculo e a capacidade de transporte desta seção da rede, como segue: 2/3 mxo,32 q = De x í ) x 0,0043 > Q = 0,059 mº/s T 4x0,014 nx0,3 Sendo A a área da seção (m?); n o coeficiente de rugosidade de Manning; Rh o raio hidráulico, e; i a declividade (m.m'"). 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 mº.s”!. 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 1.s!.ha”, ou seja, 0,101 mês”. 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 58 Tabela 8. Características das bacias de detenção implantadas no loteamento Equipamento Característica Curva cota-volume V = 38485 Xh? +35436X h + 2,1089 Cota máxima do 1,10 reservatório (m) Volume (mº) 864,64 Coef. descarga 1,836 vertedor BD-1 Largura vertedor (m) 7,00 Cota da crista vertedor 1,00 (m) Coef. descarga orifício 0,62 Área do orifício (m?) 0,0078 Altura do eixo (m) 0,00 Curva cota-volume V = 21361Xh? + 15,273Xh + 2,7123 Cota máxima do 1,10 reservatório (m) Volume (mº) 279,25 Coef. descarga 1,836 vertedor BD-2 Largura vertedor (m) 6,00 cota da crista vertedor 1,00 (m) Coef. descarga orifício 0,62 Área do orifício (m?) 0,0078 Altura do eixo (m) 0,00 Compr. trecho (m) 90,00 Cota de fundo de 15,80 montante (m) Trecho-1 Cota de fundo de . 15,50 jusante (m) Diâmetro (m) 0,50 Compr. trecho (m) 70,00 Cota de fundo de 15,80 montante (m) Trecho-2 Cota de fundo de . 15,50 jusante (m) 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 mês”! e 0,04 mês”, respeitando a vazão restringida pela microdrenagem existente à jusante do loteamento (0,04 mê.s?). 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 mê.s””, 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 mº (com vazão máxima 0,04 mê.s”, para a BD-1) e 6 m? (com vazão máxima 0,01 mê.s”, 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 BD-2 BD-1 BD-2 (15 anos) (15 anos) (25 anos) (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”!) 0,02 0,02 0,02 0,02 Tempo de Pico do Hidrograma de 14,5 13,8 12,8 13,0 Saída (horas) Volume de vertimento (m?) 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 mês! (em 12h10min); máxima lâmina d'água: 1,07 m (em 12h31min); não houve transbordamento; houve extravasamento de 683 mº; “: Na bacia de detenção BD-2 — máxima vazão de entrada: 0,46 mê.s! (em 12h07min); máxima lâmina d'água: 1,10 m (em 12h06min); houve transbordamento de 40,8 m?; houve extravasamento de 728 mº; “+ Na bacia de infiltração — máxima vazão de entrada: 0,16 mê.s” (em 12h05min); máxima lâmina d'água: 0,34 m (em 12h04min); não houve transbordamento; houve extravasamento de 419 mº; “+ No PV — máxima vazão de entrada: 0,37 mê.s” (em 12h29min); máxima lâmina d'água: 1,20 m (em 12h05min e em 12h24min); houve transbordamento de 76,8 mº. 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: “4 Na bacia de detenção BD-1 — máxima vazão de entrada: 0,33 mê.s! (em 12h10min); máxima lâmina d'água: 1,06 m (em 12h32min); não houve transbordamento; houve extravasamento de 651 m3; 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 T3. - / Figura 19. Valo de Infiltração (V1), o qual manteve o caminho natural das água Á ERDE DESTINADA À RECREAÇÃO 1 (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 Vt 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. presença de trincheiras de infiltração junto ao meio-fio. Figura 21. Via sem saída com ê É La omni = Sia Es é | Figura 22. Imagem com diferentes dispositivos em um mesmo ambiente trabalhando de forma integrada 68 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. 69 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALLASIA, D. G.; TASSI, R.; GONÇALVES, L. S. Apostila da Disciplina Drenagem e Hidrologia Urbana. 2011. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil — Universidade Federal de Santa Maria. BAPTISTA, M.; NASCIMENTO, N.; BARRAUD, S. Técnicas compensatórias em drenagem urbana. Porto Alegre: ABRH, 2005. 266 p. BIDONE, F. R. A.; TUCCI, C. E.M. Microdrenagem. In: Drenagem Urbana, org. por TUCCI, C. E. M.; PORTO, R. L.; BARROS, M. T. Porto Alegre: Editora da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 1995. CIRIA. The SUDS Manual. Escrito por Woods-Ballard, B. et al. London, UK: CIRIA. 2007. FHWA. Federal Highway Administration. BROWN, S. A.; STEIN, S. M.; WARNER, J. C. Urban Drainage Design Manual. Hydraulic Engineering Circular 22, Second Edition, Washington, D. C. 2001. GONÇALVES, L. S.; SILVA, F. C.; RISSO, A. 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