A determinação da vazão de projeto máxima para bacias com menos de 2 km², normalmente, é realizada pelo Método Racional. O qual define que a duração da precipitação máxima de projeto é igual ao tempo de concentração da bacia; considera um coeficiente único de perdas (“C”) estimado baseando-se nas características da bacia e também não avalia o volume da cheia e a distribuição temporal das vazões (BIDONE; TUCCI, 2015, p. 85). O Método Racional possui a relação de acordo com o apresentado na Equação 6:
Onde:
Q: Vazão de projeto, em m³/s;
C: Coeficiente de escoamento, adimensional; I: Intensidade da precipitação máxima, em mm/h; A: Área da bacia, em km².
Para melhor visualizar e entender cada um dos elementos da equação será apresentado nos tópicos 2.3.1 e 2.3.2 a determinação de cada um deles.
2.3.1 Intensidade da Precipitação
Primeiramente, é interessante se obter o entendimento dos aspectos teóricos sobre os três tipos diferentes de chuvas: convectivas ou de verão, chuvas orográficas e chuvas frontais.
As chuvas convectivas ou de verão, normalmente, são as que criam situações de instabilidade, geralmente, são de grande intensidade, de curta duração e atingem áreas restritas, portanto são as causadoras de inundações em pequenas bacias urbanas. As chuvas orográficas são consequência de ventos úmidos que se deslocam verticalmente devido a barreira montanhosas e podem variar de grande a pequena intensidade, caracterizam-se por serem muito frequentes, mas pouco causadoras de destruições. Já as chuvas frontais ou ciclônicas se originam entre a troca de massa de ar quente e ar frio, sendo de baixa intensidade e de grande duração, atingindo grandes áreas e por isso causadora de inundações em grandes bacias hidrográficas (ZAHED; MARCELLINI, 2015).
A determinação da intensidade das chuvas é fundamental em um projeto de drenagem urbana, sendo os seus dados obtidos através de pluviômetros ou pluviógrafos. Há que se conhecer a qualidade dos dados a serem utilizados, pois pode comprometer a confiabilidade dos estudos hidrológicos. As principais características das precipitações intensas são: o total de precipitado, sua distribuição temporal e espacial e sua frequência de ocorrência. Uma das formas bastante usual de se encontrar essa relação de intensidade-duração-frequência, conhecida como IDF, é a expressão, contida na Equação 7 (ZAHED; MARCELLINI, 2015).
𝑖 = 𝑘
𝑇𝑟𝑚(𝑡+𝑡𝑜)𝑛 ...(7)
Onde:
I: Intensidade média da chuva, em mm/minutos; t: Duração da chuva, em minutos;
Tr: Tempo de retorno, em anos;
m,n, to e K: parâmetros relativos à localidade.
Um dos fatores presente na Equação 7 é o tempo de retorno, o qual representa o risco que se esta assumindo para obra, comumente, chamado de “Tr”. É utilizado na microdrenagem com uma variação entre dois a dez anos, segundo o tipo de obra e ocupação, conforme apresentado na Tabela 5.
Tabela 5 – Períodos de retorno para diferentes tipos de obra e ocupação
Tipo de Obra Tipo de ocupação da área Tempo de retorno
Microdrenagem
Residencial 2
Comercial 5
Áreas c/ edifícios de serviço público 5
Aeroportos 2 a 5
Áreas comercias e artérias de tráfego 5 a 10
Macrodrenagem Áreas comercias e residenciais 50 a 100
Áreas de importâncias específicas 500
Fonte: Bidone e Tucci (2015, p. 87)
Para determinação da intensidade é preciso, também, conhecer o tempo de concentração da bacia, pois ele será considerado igual à duração de precipitação máxima no Método Racional. De acordo com Silveira (2005, p. 1), “o tempo de concentração é definido como o tempo necessário para que toda a bacia esteja contribuindo na seção de saída”.
Existem diversas fórmulas para obtenção do tempo de concentração, porém, com base nas avaliações realizadas por Silveira (2005, p. 20), será utilizada a Fórmula de Carter (Equação 8), por se tratar de uma bacia pequena e mais indicada pelo referido para bacias urbanas, em relação às fórmulas de tempo de concentração apresentadas em seu estudo.
𝑇𝑐 = 0,0977𝐿0,6𝑆−0,3 ...(8)
Onde:
Tc: Tempo de concentração, em horas; L: Comprimento da bacia, em km; S: Declividade, em m/m;
No cálculo da vazão para uma rede de trechos pluviais, o tempo de concentração em bacias urbanas é determinado pela soma dos tempos de concentração dos diferentes trechos (BIDONE; TUCCI, 2015, p. 89).
O tempo de concentração de uma determinada seção é composto por duas parcelas, conforme a Equação 9.
𝑡𝑐(𝑖) = 𝑡𝑐(𝑖−1)+ 𝑡𝑝(𝑖) ...(9)
Onde:
𝑡𝑐(𝑖−1): Tempo de concentração do trecho anterior;
𝑡𝑝(𝑖): T empo de concentração do trecho “i” o qual esta se analisando
O tempo de concentração inicial nos trechos de cabeceira de rede, que corresponde ao tempo de escoamento superficial pelos quarteirões, vias e sarjetas é,muitas vezes, adotado como sendo de dez minutos (BIDONE; TUCCI, 2015, p. 90).
2.3.2 Coeficiente de Escoamento
O coeficiente de escoamento utilizado no Método Racional depende das características do solo, da cobertura, do tipo de ocupação, do tempo de retorno e da intensidade da precipitação (BIDONE; TUCCI, 2015, p. 87). Nas Tabelas 6, 7 e 8 são apresentados os valores existentes para o coeficiente de escoamento para diferentes tempos de retorno (admitindo que os valores tabelados são para Tr de até 10 anos).
Tabela 6 – Valores de C com base em superfícies
Superfície C
intervalo valor esperado
Pavimento
Asfalto 0,70 - 0,95 0,83
Concreto 0,80 - 0,95 0,88
Calçadas 0,75 - 0,85 0,80
Telhado 0,75 - 0,95 0,85
Cobertura: grama, arenoso
plano (declividade até 2%) 0,05 - 0,10 0,08 médio (declividade de 2 a 7%) 0,10 - 0,15 0,13 alta (declividade acima 7%) 0,15 - 0,20 0,18
Grama, solo pesado
plano (declividade até 2%) 0,13 - 0,17 0,15 médio (declividade de 2 a 7%) 0,18 - 0,22 0,20 alta (declividade acima 7%) 0,25 - 0,35 0,30
Fonte: ASCE, 1969 apud Bidone; Tucci (2015, p. 88).
Tabela 7 – Valores de C por tipo de ocupação
Descrição da área C Área Comercial Central 0,70 - 0,90 Bairros 0,50 - 0,70 Área Residencial Residências Isoladas 0,35 - 0,50
Unidades Múltiplas (separadas) Unidades Múltiplas (conjugadas)
0,40 - 0,60 0,60 - 0,75
Lotes com > 2000 m² 0,30 - 0,45
Áreas com apartamentos 0,50 - 0,70
Áreas Industriais Indústrias Leves 0,50 - 0,80 Indústrias Pesadas 0,60 - 0,90 Parques, cemitérios 0,10 - 0,25 Playgrounds 0,20 - 0,35 Pátios ferroviários 0,20 - 0,40
Áreas sem melhoramentos 0,10 - 0,30
Tabela 8 – Valores de C adotados pela Prefeitura de São Paulo
Zonas C
Edificações muito densa: partes centrais, densamente construídas de
uma cidade com ruas e calçadas pavimentadas 0,70 - 0,95
Edificações não muito densa: partes adjacentes ao centro, de menor
densidade de habitações, mas com ruas e calçadas pavimentadas 0,60 - 0,70
Edificações com poucas superfícies livres: partes residenciais com
ruas macadamizadas ou pavimentadas 0,50 -0,60
Edificações com muitas superfícies livres: partes residenciais com
ruas macadamizadas ou pavimentadas 0,25 - 0,50
Subúrbios com alguma edificação: partes de arrabaldes e subúrbios
com pequena densidade de construção 0,10 - 0,25
Matas, parques e campos de esporte: partes rurais, áreas verdes,
superfícies arborizadas, parques ajardinados, campos de esportes sem pavimentação
0,05 - 0,20 Fonte: Adaptado Wilken, 1978 apud Bidone e Tucci (2015, p. 89)