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XXIII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HIDRÍCOS
ANÁLISE DA IMPLANTAÇÃO DE RESERVATÓRIOS DE DETENÇÃO COMO ESTRATÉGIA DE MINIMIZAÇÃO DOS IMPACTOS GERADOS
PELA URBANIZAÇÃO - ESTUDO DE CASO PARA CONDOMÍNIOS LOCALIZADOS EM BELO HORIZONTE – MG
Rafael Henrique da Silva Pereira 1 & Aline de Araújo Nunes 2
RESUMO – Nos últimos anos, como resultado da ocupação não planejada aliada à elevada taxa de urbanização das bacias hidrográficas, houve um aumento substancial no escoamento superficial, que vem comprometendo a capacidade dos dispositivos de drenagem existentes. Visando minimizar os impactos negativos associados ao processo de adensamento urbano, existem técnicas compensatórias que podem ser utilizadas para a redução de riscos. Neste contexto, o presente estudo objetiva avaliar o efeito da implantação de reservatórios de detenção na redução das vazões de pico em condomínios residenciais, tendo como estudo de caso condomínios localizados no município de Belo Horizonte – MG. Para a estimação das vazões de escoamento superficial foi aplicado o Método Racional e, tendo em vista o amortecimento das cheias urbanas, o dimensionamento dos reservatórios foi fundamentado no método de Puls. Os resultados revelaram que os reservatórios se mostraram eficientes como alternativas para o controle dos impactos decorrentes da urbanização, uma vez que garantem a manutenção das condições naturais relativas às contribuições primitivas ao escoamento superficial.
Palavras-Chave – Riscos, amortecimento, cheias.
ANALYSIS OF THE DETENTION RESERVOIRS IMPLANTATION AS A MINIMIZATION STRATEGY OF THE IMPACTS GENERATED BY URBANIZATION - CASE STUDY FOR CONDOMINIUMS LOCATED IN
BELO HORIZONTE - MG
ABSTRACT – In recent years, as a result of unplanned occupation coupled with the high rate of watersheds urbanization, there has been a substantial increase in surface runoff, which has compromised the capacity of existing drainage devices. In order to minimize the negative impacts associated with the urban densification process, there are compensatory techniques that can be used to reduce risks. In this context, the present study aims to evaluate the effect of the detention reservoirs implantation in the reduction of peak flows in residential condominiums, having as a case study condominiums located in the city of Belo Horizonte - MG. For the estimation of runoff, the Rational Method was applied and, in view of the damping of the urban floods, the design of the reservoirs was based on the Puls method. The results revealed that the reservoirs proved to be efficient as alternatives for the control of the impacts resulting from urbanization, since they guarantee the maintenance of the natural conditions related to the primitive contributions to the surface runoff.
Keywords – Risks, damping, floods.
1Engenheiro Civil pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, CEP 31980-110 - Belo Horizonte - MG. Correio eletrônico:
rafaelhsp@yahoo.com.br
2EngaAgrícola e Ambiental, Profa. Dra. Universidade Federal de Ouro Preto - Depto. Engenharia Urbana, CEP 35400-000 Ouro Preto-MG. Correio eletrônico: aline.nunes@ufop.edu.br
INTRODUÇÃO
A drenagem urbana integra uma das quatro vertentes do conjunto de infraestruturas e serviços relativos ao saneamento básico, definidas na Lei 11.445/2007. Porém, é possível perceber uma grave ineficiência na tomada de decisão em relação às ações e manutenção de programas relativos à gestão das águas pluviais em muitos municípios brasileiros. Segundo Martins (2012), os problemas associados à drenagem urbana ainda são considerados menos relevantes quando comparados aos demais componentes do sistema de saneamento, como o abastecimento de água e esgotamento sanitário.
Nesse sentido, muitas cidades brasileiras contam com infraestruturas de drenagem precárias e ineficientes, que muitas vezes apresentam falhas durante eventos hidrológicos extremos e/ou críticos, o que pode culminar na ocorrência de alagamentos e inundações e, consequentemente, em prejuízos econômicos e sociais.
Paralelamente, a elevada taxa de impermeabilização dos solos, consequência direta da ocupação desordenada das áreas urbanas de grandes e médias cidades, vem reduzindo de forma expressiva as coberturas vegetais e ainda, segundo Tucci e Bertoni (2003), provocando alterações no ciclo hidrológico natural. “[...] Tais alterações podem gerar grande impacto sobre o ambiente e infraestrutura do meio urbano, especialmente no que se refere a chuvas de alta intensidade, uma vez que existem limitações nos sistemas de drenagem urbana existentes.” (NUNES et al, p. 2 apud OLSSON et al., 2009).
Tendo em vista a expressiva concentração das populações em grandes áreas urbanas, a questão da vulnerabilidade das cidades em face de possíveis alterações nas condições hidroclimatológicas também precisa ser trabalhada, tanto em função da indução de ocorrência de tempestades pela urbanização, como também de possíveis mudanças climáticas de cunho global. Conforme o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) é provável que, no decorrer do século XXI, ocorra um aumento considerável na temperatura da superfície terrestre (IPCC, 2014). Essa variação de temperatura pode potencializar a ocorrência de eventos extremos, como a formação de enchentes (PATTNAYAK et al.,2017).
Diante das consequências relacionadas às mudanças climáticas sobre o ciclo hidrológico natural, além da precariedade em infraestruturas de drenagem citada, Martins (2012) sugere a substituição do termo “acabar com inundações” pelo conceito de redução dos riscos. A eficiente gestão da drenagem urbana é essencial para minimizar os problemas decorrentes do adensamento urbano. Ainda segundo o autor, existem Técnicas Compensatórias, classificadas em medidas estruturais e não estruturais, que podem ser implantadas a fim de reduzir os riscos associados aos problemas de drenagem.
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As Técnicas Compensatórias buscam o aumento da infiltração e da retenção das águas pluviais, possibilitando a redução do volume de cheias. Existe uma grande variedade dessas técnicas, que podem ser utilizadas em diferentes escalas territoriais, adequando-se ainda ao tecido urbano local, isto é, podem ser utilizadas em associação a edificações, áreas de estacionamento, práticas de lazer e recreação, entre outros (BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD, 2011).
Neste contexto, destacam-se os resultados da implantação de reservatórios de detenção face à sua contribuição para, conforme Nakazone (2005, p.2), “[...] prevenir e mitigar os efeitos da urbanização e melhor distribuir as vazões ao longo do tempo, imitando e mantendo as características naturais da bacia hidrográfica.” Para simular os efeitos desta técnica, Drummond (2012) analisou a implantação de reservatórios em lotes de uma bacia de 57 hectares localizada em Belo Horizonte, obtendo uma redução de 50% da vazão de pico em relação ao cenário que considera a bacia totalmente impermeabilizada. Ainda neste sentido, Silva e Cabral (2014) simularam a implantação de reservatórios em diferentes locais de uma bacia no município de Recife, reduzindo os níveis de inundação em mais de 40%.
Sendo assim, diante desse cenário de especulações e incertezas quanto à eficiência dos sistemas de drenagem frente aos impactos causados pelo adensamento urbano e às consequentes alterações climáticas, o presente trabalho visa contribuir avaliando o efeito da implantação de reservatórios de detenção na redução das vazões de pico em condomínios residenciais, tendo como estudo de caso condomínios localizados no município de Belo Horizonte – MG
MATERIAL E MÉTODOS Caracterização da área de estudo
Os desastres relacionados a alagamentos e inundações, resultantes da falta de políticas eficientes de planejamento urbano, têm sido recorrentes no município de Belo Horizonte, capital de Minas Gerais, detentor de diversos pontos de risco mapeados, com potencial iminente durante eventos hidrológicos críticos. A capital mineira está localizada na latitude 19º55’15’’ sul e longitude 43º56’16’’ oeste, abrangendo uma área de 331,4 km² e, de acordo com o censo demográfico de 2010 realizado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística – IBGE, a capital possui uma população estimada em 2,5 milhões de habitantes, correspondendo a um dos municípios mais populosos do país.
Neste contexto, as áreas de estudo deste artigo correspondem a três condomínios residenciais de classe média, situados na região norte do município de Belo Horizonte (Pampulha), cujos projetos de drenagem superficial contemplaram técnicas compensatórias a fim de reduzir os impactos associados à urbanização. Para cada condomínio foi projetado um único reservatório subterrâneo (sob as vias de circulação de veículos), em concreto armado. Os reservatórios foram dispostos na região
de menores cotas topográficas do terreno, de forma a receber, por gravidade, toda a vazão escoada superficialmente contribuinte ao dispositivo de detenção.
Visando uma melhor compreensão das informações referentes ao estudo/projeto, os terrenos correspondentes aos condomínios projetados foram designados, respectivamente, por: Condomínio 01, Condomínio 02 e Condomínio 03.
Definição dos dados e variáveis para o dimensionamento dos reservatórios de detenção
Para o dimensionamento dos reservatórios de detenção dos condomínios foi necessário determinar a vazão de pico afluente a estes dispositivos, sendo esta calculada por meio das variáveis intensidade de chuva, área de drenagem e coeficientes de escoamento superficial.
Neste sentido, foram utilizados os seguintes dados para o dimensionamento dos reservatórios:
a) hidrológicos: curvas Intensidade, Duração e Frequência (IDF), obtidas a partir da análise de chuvas intensas da região de Belo Horizonte, e período de retorno; b) áreas e características dos terrenos antes e após a urbanização: os condomínios são constituídos por áreas de diferentes tipos de cobertura/pavimento como telhados, calçadas, vias pavimentadas/estacionamento e áreas vegetadas (áreas verdes); c) valores de coeficiente de escoamento superficial ‘C’: adotado igual a 0,95 para telhados, calçadas e vias pavimentadas/estacionamento e 0,4 ou 0,5 para as áreas verdes. A Tabela 1 indica, resumidamente, as frações de áreas permeáveis e impermeáveis de cada condomínio.
Tabela 1 – Distribuição interna das áreas dos condomínios projetados Condomínio Área Permeável
(m²)
Área impermeável (m²)
Área total do terreno (m²)
01 1934,37* 2704,01 4638,38**
02 4341,69 7770,81 12112,5
03 5181,56 8679,74 13861,3
* Desse total, 1.014,32 m² referem-se a uma área de preservação permanente, que não contribui para a vazão afluente à caixa de detenção. **Cumpre ressaltar que a área total de projeto considerada nos cálculos de vazão de contribuição (pós-urbanização) foi de 3.624,060 m² [4.638,38 – 1.014,32 (referente à APP)].
Considerando, então, as variáveis descritas, a intensidade de chuva foi calculada por meio da equação regionalizada, do tipo IDF, proposta por Pinheiro e Naghettini (1998) para a Região Metropolitana de Belo Horizonte (RMBH). Diferentemente da duração da precipitação considerada para o dimensionamento dos condutos (rede) de drenagem internos ao empreendimento, correspondente a 10 minutos, para o dimensionamento das caixas de detenção adotou-se o intervalo de 60 minutos (equivalente ao tempo de concentração). Conforme dados estatísticos, a precipitação total anual média para a área em estudo corresponde a 1500 mm. O período de recorrência, ou período de retorno, adotado na determinação da vazão de projeto, considerando o risco hidrológico associado
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ao custo médio de cada tipo de obra hidráulica, além de outros fatores pertinentes ao projeto, foi de 10 anos.
Para o cálculo da vazão de pico afluente a cada reservatório, definiram-se as áreas totais correspondentes a cada tipo de cobertura/pavimento que contribuem para o volume afluente ao dispositivo. As vazões de contribuição ao reservatório foram obtidas por meio do Método Racional, utilizado para o dimensionamento das redes de drenagem urbana dada sua simplicidade, uma vez que engloba todos os processos em apenas um coeficiente “Coeficiente de Escoamento (C)”. Segundo Tucci e Bertoni (2003, p.2), “As simplificações aceitas para o dimensionamento no método Racional podem ser utilizadas para bacias da ordem de 2 km² [...]”.
Posteriormente, a fim de avaliar as vazões de contribuição geradas no empreendimento, além do efeito da implantação dos reservatórios diante do pico de vazão do hidrograma efluente, foram estudados o cenário anterior e posterior à situação projetada.
O dimensionamento dos reservatórios foi realizado por meio do método de Puls, método apresentado por Canholi (2005) em seus estudos de controle de inundações urbanas. Tomaz (2002) apresenta essa metodologia e sua aplicação para um caso combinado de vertedor e orifício no dimensionamento do reservatório de detenção. Para os dispositivos de detenção projetados, considerou-se uma saída pelo fundo, por meio de um tubo de diâmetro calculado (50 mm para o condomínio 01 e 100 mm para os condomínios 02 e 03), com o objetivo de amortecer a vazão efluente.
As caixas contam, ainda, com saída por extravasor retangular interno, de altura determinada pelo projetista, de modo a dispor do volume útil de detenção necessário.
As capacidades de detenção dos reservatórios necessárias para manter as vazões de pico em condições de pré-urbanização foram estimadas através do somatório das diferenças entre as ordenadas do hidrograma de entrada no reservatório (pós-urbanização) e do hidrograma de saída (pré- urbanização) (CRUZ et al.,1998).
n
t
St Et t Volume
1
) (
. (1)
onde: Et é a vazão média de entrada no reservatório (hidrograma de pós-urbanização), e St é a vazão média de saída do reservatório (hidrograma de pré-urbanização)
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Considerando a metodologia descrita, os resultados das vazões de contribuição são apresentados nas Tabelas 2 a 4, sendo estes obtidos por meio do Método Racional, que utiliza como parâmetros a intensidade de chuva, o coeficiente de escoamento superficial e as áreas de drenagem.
Em função das condições de projeto e topográficas dos terrenos, os condomínios 01 e 03 apresentam áreas cujas vazões de escoamento superficial não contribuem para os reservatórios de detenção. Conforme apresentado na Tabela 02 (Cond. 01), existe uma área verde total de 247,17 m² e outra correspondente a calçadas de 16,80 m², cuja vazão total resultante dessas áreas, equivalente a 2,137 L/s, contribui diretamente para o sistema público de drenagem. O condomínio 03, conforme apresentado na Tabela 04, apresenta vazão de contribuição direta para o sistema de drenagem igual a 21, 571 L/s, proveniente de 2817,48 m² de área verde. Por outro lado, pode-se inferir da Tabela 03 que todas as diferentes áreas do condomínio 02 contribuem para a vazão afluente ao reservatório.
Tabela 2 – Estudos hidrológicos antes e pós-urbanização do terreno destinado ao condomínio 01.
Áreas que contribuem para a caixa de detenção - situação de projeto/pós-urbanização Área total Área total
C* tc* I10 anos* Q10anos* Q10anos*
(ha) (m²) (min.) (mm/h) (m³/s) L/s
Área verde
(permeável) 0,067 672,88 0,50 60,00 55,08 0,005 5,152 Telhado 0,079 790,51 0,95 60,00 55,08 0,011 11,499 Vias/estacionamento 0,146 1.458,75 0,95 60,00 55,08 0,021 21,220 Calçada 0,044 437,95 0,95 60,00 55,08 0,006 6,371
Σ (soma) 0,336 3360,09 - 0,044 44,241
Áreas que não contribuem para a caixa de detenção - situação de projeto/pós- urbanização
Área verde
(permeável) 0,025 247,17 0,50 60,00 55,08 0,002 1,892 Calçada 0,002 16,80 0,95 60,00 55,08 0,000 0,244
Σ (soma) 0,362 263,97 - 0,002 2,137
Situação primitiva/pré-urbanização
Terreno Natural 0,362 3.624,06 0,50 60,00 55,08 0,028 27,75
Σ (soma) 0,362 3624,06 - 0,028 27,746
*C = coeficiente de escoamento superficial; tc = tempo de concentração (min.); I10 anos = intensidade de precipitação (mm/h) associada ao período de retorno de 10 anos; Q10 anos = vazão contribuinte à caixa de detenção (m³/s e L/s).
Tabela 3 – Estudos hidrológicos antes e pós-urbanização do terreno destinado ao condomínio 02.
Áreas que contribuem para a caixa de detenção - situação de projeto/pós- urbanização
Área total Área total
C tc I10 anos Q10anos Q10anos
(ha) (m²) (min.) (mm/h) (m³/s) L/s
Área verde
(permeável) 0,434 4.341,69 0,40 60,00 55,08 0,027 26,592 Telhado 0,232 2.320,18 0,95 60,00 55,08 0,034 33,751 Vias/estacionamento 0,477 4.768,60 0,95 60,00 55,08 0,069 69,367 Calçada 0,068 682,03 0,95 60,00 55,08 0,010 9,921
Σ (soma) 1,211 12112,50 - 0,140 139,631
Situação primitiva/pré-urbanização
Terreno Natural 1,211 12.112,50 0,40 60,00 55,08 0,074 74,172
Σ (soma) 1,211 12112,50 - 0,074 74,191
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Tabela 4 – Estudos hidrológicos antes e pós-urbanização do terreno destinado ao condomínio 03.
Áreas que contribuem para a caixa de detenção - situação de projeto/pós-urbanização Área total Área total
C tc I10
anos Q10anos Q10anos
ha m2 min. mm/h m3/s L/s
Área verde
(permeável) 0,236 2.364,08 0,50 60,00 55,08 0,018 18,100 Telhado 0,255 2.554,81 0,95 60,00 55,08 0,037 37,164 Vias/estacionamento 0,393 3.927,92 0,95 60,00 55,08 0,057 57,138 Calçada 0,220 2.197,01 0,95 60,00 55,08 0,032 31,959
Σ (soma) 1,104 11043,82 - 0,144 144,361
Áreasque não contribuem para a caixa de detenção - situação de projeto/pós- urbanização
Área verde
(permeável) 0,282 2.817,48 0,50 60,00 55,08 0,022 21,571
Σ (soma) 0,282 2817,48 - 0,022 21,571
Situação primitiva/pré-urbanização
Terreno Natural 1,386 13.861,30 0,50 60,00 55,08 0,106 106,12
Σ (soma) 1,386 13861,30 - 0,106 106,124
Verifica-se, ainda, por meio das Tabelas 2 a 4, que as vazões primitivas dos terrenos são de 27,746 L/s, 74,191 L/s e 106,124 L/s para os condomínios 01, 02 e 03, respectivamente. Pode-se inferir, dessa forma, para a situação projetada, que as vazões de escoamento superficial resultantes, dadas pela soma da vazão contribuinte e não contribuinte ao reservatório, são de 46,378L/s, 139,631 L/s e 165,932 L/s, correspondendo a um aumento relativo à situação primitiva, de 67,15%, 88,20% e 56,36%.
Considerando os resultados da aplicação do Método Racional (Tabelas 2 a 4) e visando o conceito de escoamento primitivo, de forma a manter as características hidrológicas naturais da bacia hidrográfica, vale ressaltar que as vazões máximas efluentes dos reservatórios foram definidas considerando as vazões de contribuição direta ao sistema público de drenagem. A Tabela 5 apresenta a vazão de entrada e saída de cada reservatório projetado.
Tabela 5 – Resumo das vazões afluentes e efluentes máximas dos reservatórios projetados para cada condomínio
Condomínio Vazão de entrada no reservatório (L/s)
Vazão máxima de saída do reservatório* (L/s)
1 44, 241 25, 609
2 139, 631 74, 191
3 144, 361 84, 553
* [Vazão primitiva – Vazão de contribuição direta]
A Tabela 6 e as Figuras de 1 a 3 apresentam os resultados do dimensionamento de cada reservatório de detenção projetado e o hidrograma resultante pós-implantação dos mesmos.
Tabela 6 – Dimensionamento - Reservatórios (Cond. 01, 02 e 03) Cond.01 Cond.02 Cond.03 Método Racional
Dados: TR= 10,00 10,00 10,00
tc= 60,00 60,00 60,00
i= 55,08 55,08 55,1
Qa= 0,044 0,140 0,144
Qe= 0,026 0,074 0,085
Cálculo: Te= 85,3 88,1 84,9
VRcalc.= 67,1 235,6 215,3
Reservatório
Dados: a= 9,0 26,9 16,0
b= 5,00 5,20 9,0
Cálculo: hcalc.= 1,49 1,68 1,5 Adotado: hadot.= 1,50 1,68 1,5
VRadot.= 67,5 235,6 216,0
*‘a’ e ‘b’ = comprimento e largura dos reservatórios, respectivamente; hcal. = altura do vertedor interno, determiando em função dos dados de entrada ‘a’ e ‘b’ fornecidos pelo projetista; hadot. = altura do vertedouro adotado pelo projetista;
VRcalc. = volume necessário para amortecimento da vazão; VRadot = volume adotado pelo projetista; TR = período de recorrência, em anos; tc = tempo de concentração, em minutos; i = intensidade pluviométrica, em mm/h; Qa = vazão afluente, em m³/s; Qe =vazão efluente, em m³/s; Te = tempo em que Qa e Qe se igualam e T = tempo, em minutos.
Figura 1 – Hidrograma – Reservatório Cond. 01
Figura 2 –Hidrograma – Reservatório Cond. 02
Figura3 –Hidrograma – Reservatório Cond. 03.
Considerando os valores obtidos no dimensionamento dos reservatórios por meio do método de Puls, dispostos na Tabela 6, e também os hidrogramas das Figuras 1 a 3, observa-se que os pontos de interseção dos hidrogramas afluente e efluente de cada reservatório, correspondentes a 85,3 min, 88,1min e 84,9 min, para os condomínios 01, 02 e 03, respectivamente, representam o tempo em que a vazão de entrada se iguala a de saída e, segundo Tomaz (2002), indica o instante em que o reservatório atinge o volume máximo armazenado. O autor ainda esclarece que a diferença entre as áreas dos hidrogramas (afluente e efluente) fornece o volume útil necessário ao reservatório de detenção. Dessa forma, os valores obtidos e apresentados na Tabela 6, referentes aos volumes úteis dos reservatórios, e que visam manter a situação primitiva de escoamento superficial, são equivalentes à 67,1 m³ (Cond. 01), 235,6 m³ (Cond. 02) e 215,3 m³ (Cond. 03).
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Nesse contexto, Tucci (1998) avalia em seu trabalho o controle do escoamento com detenção em lotes urbanos, demonstrando, para diferentes simulações, a eficiência da estrutura no abatimento da vazão de pico. Segundo o autor, obteve-se em algumas simulações redução da ordem de 2,5 vezes a necessária, enquanto em outras a vazão de pré-ocupação foi alcançada com maior precisão.
Observa-se nas Figuras 1 a 3 que, com a implantação de reservatório de detenção em cada condomínio, houve atenuação no pico dos hidrogramas de saída, possibilitando a recuperação da capacidade de amortecimento perdida pela bacia devido à impermeabilização.
Ainda nesse sentido, conforme os estudos desenvolvidos por Francischet (2012), a eficiência do reservatório de detenção foi de 62,35 % para a vazão do lote e 59,98 % na atenuação da vazão na sarjeta para a quadra analisada. Observa-se que para os condomínios 01, 02 e 03 as eficiências de detenção foram, respectivamente, 67,15%, 88,20% e 56,36%%, valores que correspondem ao aumento de vazão após a urbanização, já que toda a vazão máxima efluente no projeto não deveria ultrapassar a primitiva.
CONCLUSÕES
A análise dos resultados obtidos neste trabalho permitiu a verificação de um aumento considerável (em até 88,20%) das vazões de escoamento superficial após a urbanização das áreas dos condomínios estudados. Foi possível comprovar, por meio dos cálculos de dimensionamento dos dispositivos de detenção e dos hidrogramas resultantes, a eficiência de tais dispositivos na atenuação das vazões de pico, com reduções também em até 88,20%, nas vazões efluentes máximas.
Os resultados associados à utilização dos reservatórios, nesta pesquisa, foram obtidos apenas para um tempo de duração da chuva (60 minutos). No entanto, recomenda-se a avaliação dos custos de implantação e manutenção dos reservatórios dimensionados para diferentes tempos de duração.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, à empresa Portela Engenharia e à Universidade Federal de Ouro Preto pelo apoio no desenvolvimento deste trabalho.
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