I Simpósio Nacional de Gestão e Engenharia Urbana Universidade Federal de São Carlos - 25 a 27 de Outubro de 2017 Cidades e Objetivos do Desenvolvimento Sustentável
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AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE CAPTAÇÃO E
ARMAZENAMENTO DE ÁGUAS PLUVIAIS
LEOCADIO, J. F.1; RODRIGUES, C. G. R.2; NOGUEIRA, M. M.3; REIS, A. W. Q. R.4; OHNUMA
JR., A. A.5
1,2,3,4,5
Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia
Sanitária e do Meio Ambiente; fernando.leocadio.uerj@gmail.com;
carlosleo123@gmail.com; mmnogueira@msn.com; waldilaramiro@hotmail.com;
ik.lahac@gmail.com.
RESUMO
A elevada demanda por água, associado ao crescimento demográfico e ao uso indiscriminado, sobretudo em áreas urbanas, justifica a necessidade de medidas alternativas de abastecimento, como nos sistemas de aproveitamento de águas pluviais (SAP). Este trabalho tem como objetivo avaliar a operação de um sistema de captação e armazenamento de águas pluviais para fins não-potáveis em edificação urbana da cidade do Rio de Janeiro-RJ, assim como do funcionamento das instalações hidráulicas existentes. A metodologia consiste de coleta e análise de dados de série histórica entre 2016 e 2017 pelo método de dupla massa a partir de registros pluviométricos e linimétricos do SAP instalado no Instituto de Aplicação Fernando Rodrigues da Silveira ou CAp-UERJ com área de captação de 78 m2 e reservatório com capacidade de armazenamento de 2460 litros. Para fins de análise de consistência foram utilizados dados de série histórica correspondente de 02 pluviômetros vizinhos situados a menos de 2 km de distância do CAp-UERJ, obtidos do Sistema Alerta Rio da Prefeitura do Rio de Janeiro. Os resultados indicam dados não observados no monitoramento de volumes efetivos à medida que se obtém a relação com a precipitação total do coeficiente de escoamento de 0,60 para telhados metálicos. Recomenda-se para trabalhos futuros o estudo entre oferta e demanda de água, de modo a integrar o aproveitamento das águas pluviais nas condições existentes, além de associar aspectos qualitativos dos volumes armazenados.
Palavras-chave: captação e armazenamento de águas pluviais; água de chuva;
monitoramento hidrológico.
ABSTRACT
The high demand for water, coupled with demographic growth and indiscriminate use, especially in urban areas, justifies the need for alternative supply measures, such as rainwater harvesting systems (SAP). The objective of this work is to evaluate the operation of a rainwater capture and storage system for non-potable purposes in urban construction in the city of Rio de Janeiro, as well as the operation of existing hydraulic installations. The methodology consists of data collection and analysis of historical series between 2016 and 2017 by the double mass method from pluviometric and linimetric records of SAP installed at the Application Institute Fernando Rodrigues da Silveira or CAp-UERJ with catchment area of 78 m2 and reservoir with storage capacity of 2460 liters. For the purposes of
consistency analysis, data from a corresponding historical series of 2 neighboring pluviometers located less than 2 km away from CAp-UERJ, obtained from Rio Alert System of Rio de Janeiro (ALERTA RIO, 2017). The results show data not observed in the monitoring of effective volumes as the relation with the total precipitation of the runoff coefficient of 0.60 for metallic roofs. It is recommended for future work the study of supply and demand of water, in order to integrate the use of rainwater harvesting, as well as to associate qualitative aspects of stored volumes.
Keywords: rainwater harvesting; rainwater; hydrological monitoring.
1 INTRODUÇÃO
Na ocupação descontrolada de áreas urbanas, como por exemplo, de grandes metrópoles, são expostas situações ou instalações inadequadas do contexto urbano à medida que as intervenções de infraestrutura não são mais capazes de suportar à demanda projetada para o saneamento, como de: abastecimento de água, esgotamento sanitário, gestão de resíduos sólidos e drenagem de águas pluviais. Nesse caso, regiões metropolitanas costumam apresentar ocupações irregulares de forma ampliada, sobretudo em áreas de preservação permanente, de modo que é bastante comum se observar a perda da capacidade suporte dos sistemas convencionais de macro e microdrenagem urbana no atendimento às demandas de vazões efluentes (CERQUEIRA e PIMENTEL DA SILVA, 2013).
As condições hidrometeorológicas adversas ou anormais observadas no ano 2014, caracterizadas por pequenas lâminas de precipitação e baixos níveis de vazões em rios e mananciais, resultaram numa redução significativa de volumes armazenados dos reservatórios de abastecimento, especialmente nas regiões de cidades com alta densidade demográfica, elevado consumo de água e bastante urbanização, como São Paulo e Rio de Janeiro. Segundo o Boletim de Monitoramento dos Reservatórios do Sistema Hidráulico do Rio Paraíba do Sul, cujas informações auxiliam na tomada de decisões para garantir os usos múltiplos dos recursos hídricos para Região Metropolitana do Rio de Janeiro, o final do ano 2014 apresentou 2,6% do volume útil observado no reservatório equivalente, o que corresponde à uma situação extremamente emergencial de respostas de adaptação no atendimento dos usos múltiplos da água (ANA adaptado, 2015).
Por outro lado, chuvas intensas e de elevado período de retorno tendem a ampliar as possibilidades de desastres naturais de ordem hidrológica, principalmente nas áreas de maior vulnerabilidade à exposição aos riscos de absorver os impactos de eventos extremos. Embora a legislação brasileira, a partir da Lei n° 10257 de 10/07/2001, exija que os planos diretores municipais contemplem medidas de drenagem urbana para a prevenção e mitigação de desastres, pouco se cumpre às sanções administrativas, especialmente pela falta de fiscalização e decisões políticas.
Para minimizar os impactos dos eventos extremos de cheias, tradicionalmente são adotadas medidas estruturais e não-estruturais, relacionadas às obras de contenção e aos programas ou sistemas de prevenção e combate às cheias urbanas. No entanto, são altos os custos de implantação, manutenção e operação dessas medidas, além de alguns casos demonstrarem baixa eficácia na capacidade de controle de vazões máximas. As experiências implantadas demonstram que à medida que se estabelece a densificação do espaço urbano, torna-se inviável economicamente adotar medidas de grande porte eficazes e capazes de solucionar os problemas de infra-estrutura urbana (PROSAB adaptado, 2009).
Atualmente, essas ações e medidas têm sido adotadas para contribuir com a manutenção da segurança hídrica e de garantia dos usos múltiplos dos recursos hídricos nas bacias hidrográficas. A adoção de sistemas de captação e reservação de águas pluviais para uso posterior em edificações, quando bem planejada, implica na redução do consumo por se tratar de uma fonte alternativa de abastecimento de água. Não obstante, a viabilidade na implantação, manutenção e operação do sistema para suprir demandas menos exigentes, sobretudo para fins não-potáveis, ajuda a desafogar galerias pluviais e mitigar o impacto das inundações e da poluição difusa. Quando priorizado o planejamento, o monitoramento e o tratamento das águas pluviais para consumo humano, estabelecem-se usos da água alternativos e ainda ajuda no combate à crise hídrica atual.
O sistema de captação e reservação das águas pluviais instalado no CAp-Uerj integra em campo o estudo de armazenamento das águas pluviais em edificação urbana com área de cobertura disponível, e volume de armazenamento de controle na fonte.
2 OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo avaliar a operação de um sistema de captação e armazenamento de águas pluviais para fins não-potáveis em edificação urbana instalado na cidade do Rio de Janeiro-RJ, além do funcionamento das instalações hidráulicas existentes.
3 MÉTODO
O estudo consiste da avaliação da operação de um sistema de captação e armazenamento de águas pluviais instalado no Instituto de Aplicação Fernando Rodrigues da Silveira ou Colégio de Aplicação da UERJ - CAp-UERJ, localizado no bairro Rio Comprido, região leste do município do Rio de Janeiro - RJ (Figura 1). Situado em área central densamente urbanizada e com tráfego constante de veículos nas proximidades, especialmente na Avenida Paulo de Frontim e no Elevado Engenheiro Freyssinet, o bairro liga o centro com a zona sul da cidade através do Túnel Antônio Rebouças.
Fig. 1 – Local do sistema no CAp-UERJ, Rio de Janeiro-RJ.
As características principais do sistema (Tabela 1) oferecem condições de operação e monitoramento em diferentes períodos hidrológicos. O dimensionamento do reservatório segue recomendações da ABNT NBR 15527/2007 com volume estimado pelas condições de área de cobertura, demanda para uso não-potável, coeficiente de runoff e intensidade pluviométrica.
Tabela 1 - Características do sistema em operação no CAp-UERJ – Rio de Janeiro.
Bairro Município Região Telhado Área First-flush Reservatório
Em operação desde 2012, o sistema de armazenamento de águas pluviais do CAp-UERJ utiliza área de captação de 80 m2 de parte da cobertura da quadra poliesportiva, cujas instalações hidráulicas compostas de calhas e condutores direcionam o volume de água para um reservatório de 2460 litros (Figura 2).
Fig. 2 – Sistema de captação e armazenamento de água da chuva.
O estudo de séries históricas de precipitações inclui medidas obtidas no monitoramento do Sistema Alerta Rio da Prefeitura do Rio de Janeiro (ALERTA RIO, 2017) com dados disponíveis a cada 15 minutos de mais de 33 estações pluviométricas automáticas. Esse trabalho utiliza na análise de consistência de dados pluviométricos as estações (Figura 3) de Santa Tereza (STA) e da Tijuca (TIJ), consideradas mais próximas e distantes menos de 2 km do local de operação do sistema no CAp-UERJ (CAP), de modo a observar a variabilidade das séries acumuladas de maneira associada ao pluviômetro instalado no CAp-UERJ (CAP) a partir do Método da Curva Dupla Massa (ANA, 2012). O método é a análise de um gráfico cartesiano que relaciona os totais mensais acumulados do posto observado nas ordenadas e dos postos vizinhos nas abcissas. Para haver consistência, analisa-se a proporcionalidade nos valores dos postos em análise pelo alinhamento obtido da reta, cuja declividade determina o fator de relação entre as séries observadas.
80 m2 2460 Litros First-Flush (3) Extravasor (1) (2)
Fig. 3 – Localização das estações pluviométricas: Tijuca (TIJ), Santa Tereza (STA) e do CAp-UERJ (CAP).
A Tabela 2 identifica a posição geográfica de cada uma das estações apresentadas de modo a observar proximidade de coordenadas entre elas no plano, no entanto nota-se diferença estimada de 130 metros de elevação da estação localizada no CAp-UERJ e a estação de Santa Tereza e cerca de 300 metros em relação à cota da estação da Tijuca.
Tabela 2 – Coordenadas geográficas das estações pluviométricas no Rio de Janeiro-RJ.
Bairro Estação Latitude Longitude Cota (m) Local de instalação
Rio Comprido
CAp-UERJ (1) -22,92736 -43,20833 40 Cobertura de escola situada
em área de planície
Tijuca Tijuca (2) -22,93194 -43,22167 340 Maciço da Tijuca
Santa
Tereza Santa Tereza
(2) -22,93167 -43,19639 170 Cobertura de escola situada
em relevo montanhoso
(1) dados obtidos do aplicativo Google Earth; (2) Alerta Rio (2017)
Além das medições de precipitação observadas pelo pluviômetro instalado em área de mesmo lote onde localiza-se o sistema, o estudo consiste também da análise de dados monitorados das variações de níveis dos volumes armazenados no reservatório a partir de um linígrafo semi-automático discretizado em intervalos iguais ao do pluviômetro de 10 minutos. Após consolidadas, essas informações constituem dados de precipitação efetiva ou do volume de escoamento superficial obtido pela variação de pressão interna na entrada de vazões afluentes ao reservatório.
Ao obter a relação de valores acumulados de precipitação efetiva com a precipitação total observada, permite-se avaliar de forma criteriosa a operação do sistema de captação e armazenamento de águas pluviais, à medida que se analisam os totais pluviométricos e os volumes armazenados, conforme a sazonalidade dos eventos. Seja para compor a análise de consistência de dados pluviométricos, assim como de volumes efetivos precipitados no reservatório, o estudo utiliza valores diários compostos por 14 meses de série histórica, entre janeiro de 2016 e fevereiro de 2017, inclusive.
3 ANÁLISE DE RESULTADOS
Como forma de análise de resultados são apresentados gráficos que constituem os dados consistidos após refinamento de dados brutos coletados na estação pluviométrica do CAp-UERJ e aqueles obtidos do Sistema Alerta Rio, além das coletas de dados de níveis obtidos
CAP TIJ STA 1,3 Km 0,7 Km Maracanã Bairro Flamengo 1,0 Km Santa Tereza
do linígrafo. Nesse contexto, consideram-se análises dos aspectos quantitativos relacionados sobretudo aos equipamentos utilizados no monitoramento do sistema de captação e armazenamento de águas pluviais, de modo a avaliar a operação hidrológica das condições instaladas e meteorológicas, no caso da precipitação pluviométrica. Os gráficos da Figura 4 ilustram os resultados obtidos da análise de consistência de dados diários pluviométricos acumulados no eixo das ordenadas correspondente ao posto observado do CAp-UERJ e nas abcissas as precipitações acumuladas do posto de referência, Tijuca e Santa Tereza.
De maneira associada também consta o resultado da análise pelo Método Dupla Massa dos dados observados de precipitação acumulada entre as estações de Santa Tereza e Tijuca. Os dados revelam proporcionalidade nas séries observadas com grau de homogeneidade de 99% entre os valores diários de precipitação acumulada em cada uma das estações, de modo a caracterizar ou indicar a consistência dos dados e descartar possíveis erros de medições.
Fig. 4 – Curvas Dupla Massa de consistência de dados pluviométricos.
De outro modo, o monitoramento das chuvas obtido no pluviômetro do CAp tem registrado cerca de 85% de volume precipitado em relação aos totais observados nas estações vizinhas de Santa Tereza e Tijuca. Na análise de consistência de dados pluviométricos dessas estações a variação acumulada de 2% da precipitação observada no mesmo período justifica a influência de elementos meteorológicos e fatores físicos do local na constituição das chuvas, sobretudo devido às condições orográficas localizadas e existentes na região. A altitude das estações pluviométricas, conforme a posição instalada do equipamento em cada localidade, também demonstra haver possíveis interferências nos totais de precipitação diária acumulada.
No mesmo período de análise de consistência de dados pluviométricos entre janeiro de 2016 e fevereiro de 2017, apresentam-se os resultados obtidos do volume de chuva captado pela área de cobertura da edificação e armazenado no reservatório, de modo a constituir a precipitação efetiva dos eventos observados pelo linígrafo, cuja discretização ocorre de forma sincronizada aos dados do pluviômetro do CAp-UERJ (Figura 5).
Fig. 5 – Relação observada entre a precipitação total e a efetiva.
y = 0,8796x R² = 0,98921 0 500 1000 1500 0 500 1000 1500 Es ta çã o CA p-U ER J( m m )
Estação Santa Teresa (mm)
y = 1,0211x R² = 0,99582 0 500 1000 1500 0 500 1000 1500 Es ta çã o Ti ju ca (m m )
Estação Santa Teresa (mm) y = 0,8615x R² = 0,99495 0 500 1000 1500 0 500 1000 1500 Es ta çã o CA p-U ER J( m m ) Estação Tijuca (mm) 0 300 600 900 1200 1500 Pr ec ip ita çã o Ac um ul ad a (m m ) Precipitação Total Precipitação Efetiva y = 0,5977x R² = 0,9879 0 200 400 600 800 0 500 1000 1500 Pr ec ip ita çã o (m m ) Precipitação Efetiva (mm)
O volume gerado pelo escoamento superficial na série observada revela divergências identificadas no cálculo da relação entre a precipitação efetiva e a precipitação total. O coeficiente de runoff ou de escoamento calculado de 0,60 demonstra haver perdas ignoradas nos processos envolvidos no sistema. Para este tipo de cobertura de telhado metálico, pesquisas estimam perdas entre 10 e 30% (HOFKES e FRASIER, 1996; KHAN, 2001) e não superior a 40%, com a estimada no estudo.
Volumes não observados ou perdidos justificam-se pelo esgotamento não observado da capacidade de armazenamento de água da chuva no reservatório para eventos com volumes acumulados superiores à 35 mm de precipitação acumulada, além de excedentes encontrados por vazamentos de percurso e no sistema de armazenamento principal.
4 CONCLUSÃO
O sistema de captação e armazenamento de águas pluviais instalado no CAp-UERJ desde 2013 apresenta operação compatível às condições de monitoramento, sobretudo devido às medições de volumes precipitados no local e afluentes ao reservatório. Embora haja desperdício de volumes não observados, o sistema permite a coleta e a reservação de volumes de precipitação pluviométrica efetiva capazes de garantir o aproveitamento da água da chuva para fins não-potáveis. No entanto, recomenda-se aprofundar o estudo dos aspectos da qualidade da água da chuva à medida que se obtém dados quantitativos de intensidades pluviométricas no local.
5 REFERÊNCIAS
ALERTA RIO. Sistema Alerta Rio da Prefeitura do Rio de Janeiro. Registro de dados pluviométricos. Disponível em: http://alertario.rio.rj.gov.br/. Acesso em 27/05/2017.
ANA. Agência Nacional de Águas Diretrizes e análises recomendadas para a consistência de dados pluviométricos / Agência Nacional de Águas; Superintendência de Gestão da Rede Hidrometeorológica. Brasília: ANA, SGH, 18p. 2011.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS E TÉCNICAS (ABNT). NBR 15527: Água de chuva- Aproveitamento de coberturas em áreas urbanas para fins não potáveis- Requisitos, 2007.
BRASIL. Lei No 10257 de 10 de Julho de 2001. Regulamenta os arts. 182 e 183 da Constituição Federal, estabelece diretrizes gerais da política urbana e dá outras providências.
CERQUEIRA, L.F.F.; PIMENTEL DA SILVA, L. Proposta metodológica para redesenho de comunidades informais – construção da resiliência diante do estresse hídrico. Ambiente &
Sociedade, v. XIX, n. 1, p. 43-62, 2016.
HOFKES, M. W; FRAZIER, J. G. Runoff coeficients. In: PACEY, A; CULLIS, A. Rainwater
harvesting. London: Intermediate Technology Publications, 1996.
KHAN. Domestic roof water harvesting technology in thar desert. India, 2001. In: TOMAZ, P. Aproveitamento de água de chuva para áreas urbanas e fins não potáveis. São Paulo: Navegar Editora, mai 2003. 180 p.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FINEP pelo apoio concedido no contexto do Projeto em Rede, Manejo de Águas Pluviais (MAPLU), à Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro pela concessão de bolsa de Iniciação Científica 2016/1, Processo 224274/2016 e ao CNPq, Edital Chamada Universal MCTI/CNPq n° 14/2014, Faixa A Processo n° 457688/2014-9, pelo apoio financeiro e ao Departamento de Engenharia Sanitária e do Meio Ambiente, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, pelo apoio institucional no desenvolvimento deste trabalho.
PARA A SUBMISSÃO DO TRABALHO COMPLETO PREENCHER,
OBRIGATORIAMENTE, O FORMULÁRIO ABAIXO:
Área: (indicar apenas uma área)
Geotecnia e Geoprocessamento
Gestão e Planejamento Urbano
Habitação
X Saneamento e Recursos Hídricos
Tecnologias Aplicadas
Transportes e Mobilidade
Urbanismo
Subárea: (indicar pelo menos 1 (uma) e no máximo 3 (três) subáreas)
1. Abastecimento de Água e Esgotamento Sanitário 2. Ações Sociais 3. Acústica Urbana 4. Acessibilidade 5. Assentamentos Humanos 6. Cidades Inteligentes 7. Climatologia Urbana
8. Conforto Ambiental, Desempenho e Eficiência Energética
X
9. Drenagem Urbana e HidrologiaX
10. Ecotécnicas Aplicadas ao AmbienteUrbano
11. Economia Solidária 12. Energias Renováveis 13. Ensino
14. Estudos de Impacto Ambiental 15. Estudos de Impacto de Vizinhança 16. Geologia Aplicada ao Planejamento 17. Geoprocessamento Aplicado
18. Geotecnologia
19. Governança Metropolitana 20. Habitação de Interesse Social 21. Infraestrutura Urbana
22. Inovação Tecnológica em Materiais e Processos
23. Logística Urbana
24. Mapeamento de Riscos e Desastres Urbanos
25. Mapeamento Geotécnico e Cartográfico 26. Modelagem e Simulação de Sistemas 27. Planejamento Ambiental
28. Planejamento Habitacional e Projetos Urbanos
29. Planejamento Urbano e Regional 30. Políticas Públicas e Legislação Urbana 31. Poluição Urbana
32. Projeto de Intervenções Urbanas 33. Reciclagem e Reaproveitamento de Materiais
34. Recuperação de Áreas Degradadas e Reabilitação Ambiental
X
35. Recursos Hídricos36. Resíduos Sólidos 37. Segurança de Tráfego
38. Sistemas de Avaliação de Qualidade de Infraestrutura
39. Sistemas de Informações Geográficas 40. Sustentabilidade em Projetos e Sistemas Urbanos
