Equação 14 – Porosidade Livre da água
Essa porosidade é expressa em m³ de ar m3
de solo e, em solos saturados seu valor é zero, pois a umidade é igual a porosidade ( ), já em solos secos seu valor é igual a porosidade do solo ( ).
Os principais gases que compõem a fração gasosa do solo são o oxigênio (O2),
consumido por microorganismos e pelas plantas através de seus sistemas radiculares e, o gás carbônico (CO2), liberado pelos processos metabólicos que ocorrem no solo.
O principal processo que ocorre na fração gasosa do solo é a aeração, que corresponde as variações da porosidade livre da água. Após intensos períodos chuvosos o solo fica inundado, ocasionando uma queda nas taxas de oxigênio no solo, caracterizando um solo mal aerado; já quando os solos estão bem secos, encontram-se bem aerados, porém a falta de água é prejudicial ao desenvolvimento das plantas (REICHARDT & TIMM, 2004).
2.4.
JARDIM DE CHUVA
Os jardins de chuva (rain garden) são dispositivos de drenagem do tipo controle na fonte, baseados no sistema de biorretenção, montados em depressões rasas na paisagem e cobertas por uma camada de cobertura vegetal, funcionando como estrutura de retenção, infiltração e tratamento das águas advindas, principalmente, do escoamento superficial (Figura 16).
Os jardins de chuva são os sistemas de biorretenção mais conhecidos e difundidos, principalmente em países desenvolvidos como Estados Unidos e Austrália. Esses dispositivos são aplicados, devido ao seu desempenho na redução e remoção natural de poluentes advindos das águas superficiais. São passíveis de análises em campo e laboratório, facilitando assim estudos em menor escala e com maior detalhamento, tanto no monitoramento de dados, quanto no controle dos resultados (DAVIS, et al, 2009).
Figura 16 – Jardim de Chuva. Fonte – Prince George’s County, 2007.
Li & Zhao (2008) descrevem o jardim de chuva como uma estrutura hidrológica funcional na paisagem, de baixo investimento e manutenção simplificada, no qual através do sistema solo-planta-atmosfera e processos de infiltração, retenção e adsorção, purificam e absorvem as águas pluviais de pequenas áreas, reduzindo o volume escoado e protegendo a qualidade das águas subterrâneas.
São caracterizados como instrumento de gestão, por proporcionar a retenção do escoamento superficial, a recarga subterrânea e o tratamento de poluentes. Geralmente valorizam a desconexão de áreas impermeáveis, dirigindo as águas para si, contribuindo no manejo das águas pluviais em meio urbano e proporcionando benefícios ambientais, ecológicos, paisagísticos e econômicos (DIETZ E CLAUSEN, 2006; ARAVENA & DUSSAILLANT, 2009).
De acordo com Dunnett & Clayden (2007), foi a partir de 1980 que os jardins de chuva começaram a ser implantados em extensas áreas residenciais do estado de Maryland (USA), no intuito de prevenir e minimizar os impactos negativos advindos do escoamento superficial, criar habitat para animais como pássaros e, amenizar a sensação de desconforto proporcionada pelas ilhas de calor nas cidades.
Os jardins de chuva possuem as seguintes vantagens em relação aos projetos tradicionais de drenagem urbana (MUTHANNA et al, 2008; LI & ZHAO, 2008):
Redução do volume de escoamento e da taxa de pico dos hidrogramas de maneira sustentável – devido à retenção e armazenamento do volume escoado na superfície do sistema;
Recarga das águas subterrâneas e restabelecimento do fluxo de base – devido ao processo de infiltração e redistribuição;
Amenizar os efeitos erosivos ocasionados pelo escoamento superficial;
Intensificam os processos do ciclo hidrológico, principalmente a infiltração e evapotranspiração;
Melhora a qualidade das águas – pela retenção e remoção de poluentes e redução no transporte de contaminantes carreados pelas águas pluviais;
Menor custo de implantação e manutenção – por não utilizar tubulações tradicionais, mas sim, adotar materiais alternativos e menos onerosos para composição do sistema, como brita e areia.
Maior aceitabilidade pela população – pelos benefícios estéticos, paisagísticos e ambientais;
Auxilia no equilíbrio urbano-ambiental das cidades – por ser uma alternativa de controle na fonte e pela prevenção de impactos.
A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA – United States
Environmental Protection Agency) incentiva, através de políticas ambientais, a utilização de
jardins de chuva em áreas residenciais, para promover a infiltração das águas pluviais. Já em áreas industriais e comerciais, é aconselhável um pré-tratamento ou a não infiltração das águas escoadas, a fim de proteger as águas subterrâneas de possíveis poluentes (DAVIS, et al, 2009).
Em Pequim (China), o uso dos jardins de chuva é destinado a captação do escoamento pluvial de pequenas áreas, principalmente telhados, reduzindo assim o volume escoado em vias públicas, controlando a taxa de pico e a qualidade das águas superficiais urbanas. Os benefícios proporcionados pelos jardins são potencializados, porque em determinadas áreas de Pequim os jardins de chuva são combinados com outras técnicas compensatórias, como o pavimento permeável e trincheiras de infiltração (LI et al, 2010).
Em um sistema de biorretenção como o jardim de chuva, devem-se considerar duas questões importantes: o controle da quantidade de água escoada, através das suas depressões e cotas mais baixas, facilitando a captação e retenção da água e; a melhoria da qualidade das águas retidas, através da remoção de poluentes e a associação de nutrientes advindos do escoamento superficial (DUNNETT & CLAYDEN, 2007).
Essas questões estão relacionadas a variados aspectos, os quais devem ser integrados e atualizados. Projeto e implantação do sistema, camadas do jardim de chuva (layers), funcionamento do sistema e, efeitos desses sistemas na área instalada, são alguns dos aspectos que devem ser considerados para que o sistema de biorretenção cumpra suas funções positivamente como técnica compensatória no manejo das águas pluviais.
2.4.1. Projeto
Apesar do jardim de chuva ser uma técnica compensatória bem disseminada em alguns países desenvolvidos, esse sistema de biorretenção é relativamente novo. Integrado ao conceito de boas práticas de manejo (BMP), essa técnica encontra várias dificuldades na sua aplicabilidade, principalmente em locais onde a cultura de escoamento ainda se baseia em sistemas tradicionais de drenagem urbana.
Essa abordagem tem originado o aumento de inúmeras questões acerca de critérios de projeto, objetivos e procedimentos para implantação do jardim de chuva. Os sistemas de
biorretenção foram originalmente desenvolvidos como medidas de controle da qualidade da água para locais com área entre 4.000 – 12.000 m². Porém, as questões de projeto, não se restringiram apenas a melhoria da qualidade da água, enfocando também a redução dos volumes de escoamento gerados, levando a sua aplicabilidade em áreas menores e mais pontuais (DAVIS et al, 2009).
Variadas metodologias de projeto foram desenvolvidas, as quais variam de acordo com a escala do experimento, características locais e área de implantação. Em relação à escala, o projeto pode ser realizado pontualmente, coletando águas de pequenas áreas superficiais, como telhados; ou mais abrangente, recolhendo águas de grandes superfícies impermeáveis, como rodovias.
Winston et al (2010) consideram os jardins de chuva sistemas ideais para serem implantados em áreas residenciais, principalmente quintais, onde os sistemas são dimensionados justamente para receber volumes de calçadas e telhados.
Em alguns estudos, o tamanho dos jardins de chuva é destinado a pequenas áreas, sendo dimensionados através de uma proporção de 5% a 20% da superfície impermeável (CHRISTENSEN & SCHMIDT, 2008). Na Nova Zelândia, o tamanho adotado para o jardim da chuva, geralmente é de 5% a 10% das áreas impermeáveis (LI & ZHAO, 2008).
Para Muthanna et al (2008), o projeto do jardim de chuva foi definido para receber um volume de escoamento de uma superfície de 20 m². A área do jardim foi de 0,96m², aproximadamente 5% do total da área impermeável. A adoção desse dimensionamento teve relação direta com o objetivo do trabalho – examinar o comportamento hidrológico do jardim de chuva no inverno, analisando a infiltração, tempo de detenção e redução do fluxo; possibilitando um monitoramento mais eficiente do sistema, devido às pequenas proporções adotadas.
No que se refere às características locais, deve-se considerar aspectos como os índices pluviométricos, estudo do solo e topografia, a fim de conhecer o comportamento dos eventos, as condições hidráulicas do solo e o caminho das águas no meio urbano. São importantes visitas in loco, para determinar, da maneira mais adequada e eficiente, os caminhos de fluxo no local e evitar ou minimizar eventuais custos adicionais por qualquer falha decorrente do desenho de projeto (WINSTON et al, 2010).
Davis et al (2009) consideram que as especificações de critérios projetuais devem priorizar o estudo do solo, principalmente sua permeabilidade; considerações sobre as variações de nível do lençol subterrâneo, por se mostrar uma limitação projetual quando alto.
Winston et al (2010) propõem uma metodologia de projeto baseada no tempo de infiltração das águas em solo natural, denominada de taxa de drenagem. Nesse método, cava-
se uma abertura no terreno a uma profundidade de 1 m abaixo do fundo do jardim de chuva, em seguida essa abertura é preenchida com um volume conhecido de água, então é contabilizado o tempo de infiltração da água. Algumas distâncias mínimas aproximadas2 que o jardim deve ter em relação a algumas infra-estruturas existentes: 3,00 m de poços e fundações de casa e, 7,50 m de fossas sépticas.
O conhecimento da área de implantação na determinação de critérios de projeto considera a tipologia do uso e ocupação do solo, identificando quais atividades são desenvolvidas na região, quais são passíveis à poluição e, o levantamento dos sistemas e infra-estruturas existentes.
Li et al (2010) afirmam que os parâmetros mais adequados de projeto são a profundidade da camada do aquífero, a permeabilidade do solo e a área das superfícies impermeáveis. No estudo realizado em Pequim (China), os autores identificaram os principais parâmetros, fatores influentes e metodologias de projeto aplicadas ao jardim de chuva (Quadro 5).
Quadro 5 – Aspectos gerais adotados no projeto do jardim de chuva. Fonte – Modificado de Li et al, 2010.
PARÂMETROS DE PROJETO FATORES INFLUENTES OBJETIVOS PRINCIPAIS MÉTODOS DE PROJETOS CONDIÇÕES DE APLICABILIDADE Profundidade do aquífero Coeficiente de permeabilidade da camada vegetada Infiltração Eventos de precipitação Maior quantidade de retenção e redução de fluxo Profundidade da camada vegetada Coeficiente de escoamento superficial Redução de fluxo Chuva de projeto
Baixa taxa de áreas verdes Proporção em relação às áreas impermeáveis Intensidade de precipitação Filtração das águas escoadas Análise de balanço hídrico Altas exigências de qualidade de água e ambiental
Prince George’s County (2007) apresenta uma proposta de projeto baseado no Método da Curva-Número (CN), criado pelo Soil Conservation Service (SCS), nos Estados Unidos. Essa metodologia se baseia na determinação de uma vazão de projeto, a partir da disponibilidade de dados existentes. Geralmente são utilizados dados de chuva diária, a fim de estimar o escoamento superficial para um dia. Geralmente os valores de CN são tabelados de acordo com o tipo de uso do solo na área da bacia, seja rural, urbana ou suburbana.
Apesar dos avanços nos estudos sobre o dimensionamento de jardins de chuva, ainda não existe um padrão ou modelo de projeto mais adequado, sendo necessário um maior estudo acerca dessas metodologias ou do desenvolvimento de novos modelos metodológicos, a fim de gerar mais critérios e parâmetros de projeto.
2 Essas medidas foram calculadas a partir da unidade pés (ft), sendo 1ft = 0,3048m. Ressalta-se também que
Outra questão importante no projeto do jardim de chuva é seu custo. Li et al (2010), apresentam uma tabela de custos baseada no Departamento de Engenharia de Construções de Pequim, comparando alguns valores envolvidos nos projetos de biorretenção, cinturão verde e pavimento permeável (Quadro 6).
Quadro 6 – Custos de projeto do jardim de chuva, cinturão verde e pavimento permeável. Fonte – Modificado de Li et al, 2010.
ITEM INVESTIMENTO INICIAL (R$/m²) CICLO DE VIDA (anos) MANUTENÇÃO E OPERAÇÃO ANUAL (R$/m²) Jardim de Chuva 159,00 20 2,00 Cinturão verde 9,80 20 1,75 Pavimento Permeável 29,40 20 1,50
2.4.2. Estrutura
Segundo Dunnett & Clayden (2007), geralmente, a estrutura de um jardim de chuva é composta por seis camadas, como apresentado na Figura 17.
Figura 17 – Estrutura de um jardim de chuva mostrando as diversas camadas. Fonte – Dunnett e Clayden, 2007.
6. COBERTURA VEGETAL 5. PROCESSOS DA ADUBAÇÃO OU SUBSTRATO 1. ARMAZENAMENTO E RECARGA 2. TRANSFERÊNCIAÇÃO 4. DRENANTE 3. FILTRANTE
Iniciando de baixo para cima, a primeira camada é de armazenamento e recarga. Neste local a água infiltrada por ser destinada a três fins: armazenamento, recarga subterrânea e sistema combinado.
O armazenamento é realizado através de um dreno que é ligado diretamente a um reservatório externo ao jardim, onde a água pode ser reutilizada (Figura 18). De acordo com Winston et al. (2010), os drenos ajudam no escoamento e secagem da água do sistema em eventos contínuos, evitando a sobrecarga de armazenamento dentro do sistema.
Figura 18 – Esquema do jardim de chuva mostrando a detenção (retenção) da água e posterior liberação pelos drenos. Adaptado pela autora.
Já a recarga subterrânea é feita diretamente após o processo de infiltração e redistribuição da água na estrutura interna do jardim, com o objetivo de alimentar o aquífero e o fluxo de base. Já o sistema combinado, é o arranjo entre o armazenamento e a recarga, visando estimular tanto a reservação das águas, quanto o abastecimento subterrâneo (Figura 19).
Figura 19 – Esquema do jardim de chuva mostrando a recarga do aquífero e a combinação da recarga do aquífero com a liberação parcial pelos drenos. Adaptado pela autora.
A segunda camada, denominada de transferência, é formada por brita ou cascalhos onde a água é temporariamente abrigada antes de ser destinada ao armazenamento ou reabastecimento do lençol. A terceira camada é denominada de filtrante e, é constituída por uma geomembrana ou geotêxtil (bidim), destinado a retenção de finos carreados com as águas infiltradas do sistema.
A quarta camada, drenante, é formada em sua maioria por areia para estimular a infiltração e redistribuição da água no solo. A quinta camada é denominada de adubação, por ser o local onde se concentram todos os nutrientes que darão suporte a cobertura vegetal utilizada.
A sexta e última camada é formada pela cobertura vegetal do jardim. A utilização de plantas rasteiras, arbustivas e, principalmente, de espécies nativas, por se adaptarem melhor a região onde o jardim de chuva será instalado, são as plantas mais indicadas para esta camada.
Alguns estudos representam essas duas camadas como uma única (adubação + cobertura vegetal), composta por uma mistura de solo, o qual estimula a infiltração e a filtração das águas, ao mesmo tempo em que fornece subsídios ao desenvolvimento da cobertura vegetada.
A seleção da mistura do solo e a profundidade determinada devem considerar os diferentes objetivos do sistema e parâmetros como: capacidade para suportar e sustentar a vegetação selecionada, para infiltrar as águas retidas na superfície e para remover os poluentes existentes.
As proporções adotadas para a mistura de solo são variantes. Davis et al (2009) apresentam uma mistura utilizando 20% de matéria orgânica, 30% de solo natural e 50% de areia. Já Prince Goerge’s County, 2007, cita que no estado de Delaware (USA) o solo é composto por 1/3 de areia, 1/3 de turfa material de origem vegetal e 1/3 de palha desfiada e, na Carolina do Norte (USA), a proporção adotada é de 85 – 88% de areia, 8 – 12% de uma mistura de silte e argila e 3 – 5% de matéria orgânica.
Segundo Davis et al (2009), os benefícios da vegetação no sistema de biorretenção são grandes, porém difíceis de quantificar. Teoricamente, as plantas influenciam o sistema de inúmeras maneiras: promovem a permeabilidade do solo, desviam ou retardam os fluxos de escoamento, e filtram os sedimentos e poluentes, através do processo de fitorremediação.
As plantas, além de proporcionar a valorização estética e ecológica, melhoram a estrutura do solo e potencializam a capacidade de infiltração, devido a formação de macroporos no solo (ARAVENA & DUSSAILLANT, 2009).
O uso de gramas como sendo o único tipo de vegetação utilizada pode gerar muitos problemas no desenvolvimento do sistema, por solicitar um maior tempo de permeabilidade, devido a compactação do solo, além de reduzir o potencial de remoção de poluentes. Assim
como não há um modelo metodológico único de projeto, também não há uma estrutura de camadas padrão.
O jardim de chuva de Dussaillant et al (2004) por exemplo, é formado por quatro camadas: subsolo urbano sem espessura definida (por ser um estudo em laboratório), uma geomembrana (filtrante), uma camada de 70cm de areia (drenante) e, por último, uma camada de mistura de 50 cm de espessura, formada por 60% de areia e 40% de matéria orgânica (adubação + cobertura vegetal).
Já Aravena & Dussaillant (2009) criaram um jardim com apenas duas camadas, uma de 1,5 m de espessura, constituída somente por areia (drenante) e, outra camada de 50 cm de espessura formada por 50% de areia e 50% de composto orgânico (adubação +cobertura vegetal) (Figura 20).
Figura 20 – Representações dos jardins de chuva aplicados em alguns estudos.
2.4.3. Funcionamento
O sistema engloba processos químicos, biológicos e físicos, os quais ocorrem devido às propriedades das plantas e dos microorganismos presentes na matéria orgânica e no solo (PRINCE GEORGE’S COUNTY, 2007).
Os processos que ocorrem na natureza são os mesmos que acontecem em pequena escala no jardim de chuva. Eles dependem do desenho, estrutura e condições do local de instalação, o que pode intensificar ou não, os processos que ocorrem no jardim. Os principais processos que ocorrem são apresentados no Quadro 7, de acordo com sua origem em químicos, biológicos e físicos.
Entre todos esses processos envolvidos no jardim de chuva, os que mais se estudam no âmbito científico são a retenção, infiltração e filtração. Isso devido aos principais objetivos
MISTURA AREIA GEOMEMBRANA SOLO URBANO MISTURA AREIA
aos qual o sistema é projetado: controle da qualidade e quantidade das águas advindas do escoamento superficial.
Quadro 7 – Quadro apresentando os processos que ocorrem no sistema de biorretenção. Fonte – Modificado de Prince George's County, 2007.
CLASSE PROCESSO DESCRIÇÃO
QUÍMICOS
Absorção A água é absorvida pelos espaços entre as partículas de solo e tomada pelas raízes, fungos e microorganismos presentes no solo
Adsorção É a atração iônica de líquidos, gases ou substâncias dissolvidas para as superfícies sólidas
Degradação É a perda de componentes químicos por microorganismos presentes no solo Desnitrificação Transformação de nitratos e outras substâncias em gás nitrogênio. Fitorremediação Remover ou tornar os contaminantes do solo e da água inofensivos.
Nitrificação Íons de amônia são convertidos em nitritos e depois convertidos em nitratos, no qual pode ser assimilado pelas plantas.
Volatização Conversão de uma substância para uma forma de vapor volátil
BIOLÓGICOS
Assimiliação As plantas retêm os nutrientes que auxiliam nos processos biológicos e no seu próprio crescimento
Decomposição É a perda de componentes orgânicos pela fauna do solo e fungos Filtração Partículas são filtradas através das plantas e do solo Transpiração Vapor d’água liberado pelas plantas
FÍSICOS
Atenuação térmica
É a variação de temperatura que ocorre devido a infiltração das águas no solo
Colmatação
Deposição de partículas na superfície e nos interstícios do meio poroso, podendo ocasionar o entupimento dos poros do solo por partículas maiores e formando uma camada de algas ou bactérias, dificultando a passagem da
águas para as camadas mais profundas do solo.
Evaporação Transferência de água para atmosfera, intensificada pelas plantas e pelo solo exposto
Fixação Partículas são fixadas na superfície do sistema, auxiliando no pré- tratamento antes de chegar à camada intermediária
Infiltração Passagem da água da superfície para camadas de solo mais profundas Interceptação Captura das águas da chuva ou de escoamento pelas plantas ou solo
Retenção As plantas podem reter parte do escoamento das águas, através de suas raízes, porte ou distribuição no espaço.
Retenção
Os sistemas de retenção são projetados para captar, reter, retardar e minimizar ou evitar os impactos advindos do escoamento superficial sobre o sistema de drenagem e a população. Nessa etapa as águas são conservadas sobre a superfície do jardim, o qual deve ter área suficiente para que a lâmina d’água se distribua uniformemente. Esse volume de água armazenado volta ao ciclo hidrológico através dos processos de evapotranspiração e infiltração.
A evapotranspiração é um importante processo que ocorre no sistema de biorretenção, onde a água retida retorna ao ciclo hidrológico através da evaporação da água do solo e pela transpiração da cobertura vegetal.
Segundo Prince George's County (2007), 90% das águas retidas pelas plantas retorna à atmosfera em forma de vapor d’água. A intensidade com que ocorre esse processo depende de algumas variáveis como condições meteorológicas e iniciais do solo.
Alguns estudos consideram a taxa de evapotranspiração insignificante, devido as pequenas proporções de área adotadas em jardins de chuva (DUSSAILLANT et al, 2004). Já Davis et al (2009) mostraram que a evapotranspiração associada ao processo de infiltração pode atenuar entre 50 e 90% do fluxo de entrada de água no sistema, considerando as condições do solo local, tipo e profundidade do sistema e as configurações de drenagem do sistema.
A função de retenção tem relação direta com a estrutura do jardim, principalmente com a área e a profundidade da depressão, representada pela distância entre a superfície do jardim em relação ao nível do terreno local. Essa depressão é denominada de charco (pond), e tem como objetivo evitar a transferência das águas retidas para fora dos limites do sistema.