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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS
PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
AUTOR:
Artur Paiva Coutinho
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS
PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
Mestrando:
Artur Paiva Coutinho
Orientador:
Prof. Dr. Antonio Celso Dantas Antonino
Co-Orientador:
Prof. Dr. Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral
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ARTUR PAIVA COUTINHO
Eng. Civil, Universidade Federal de Pernambuco, 2009
PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
RECIFE, PE
Agosto de 2011
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco, Orientado pelo Prof. Dr. Antonio Celso Dantas Antonino, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil.
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PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
Artur Paiva CoutinhoDISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE
PERNAMBUCO COMO PARTE INTEGRANTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS à OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL.
Aprovada por:
_______________________________________________ Antonio Celso Dantas Antonino, Ph.D.
(Orientador)
____________________________________________________ Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral, Ph.D.
(Co-orientador)
____________________________________________________ Suzana Maria Gico Lima Montenegro, Ph.D.
(Examinadora Interna)
____________________________________________________ Vladimir Caramori Borges de Souza, D.Sc.
(Examinador Externo)
____________________________________________________ Eduardo Soares de Souza, D.Sc.
(Examinador Externo
RECIFE, PE Agosto de 2011
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Catalogação na fonte
Bibliotecária Valdicéa Alves, CRB-4 / 1260
C871p Coutinho, Artur Paiva.
Pavimento permeável como técnica compensatória na drenagem urbana da cidade do Recife / Artur Paiva Coutinho - Recife: O Autor, 2013.
xx, 132 folhas, gráfs. Tabs.
Orientador: Prof. Dr. Antônio Celso Dantas Antonino.
Co-Orientador: Prof. Dr. Jaime Joaquim da Silva pereira Cabral
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, 2013.
Inclui Referências e Apêndices.
1. Engenharia Civil. 2. Pavimento permeável. 3. Infiltração. 4. Técnicas compensatórias. 5. Drenagem urbana. 6. Hydrus 1- D 7. Águas pluviais. I Antonino, Antônio Celso Dantas. (Orientador). II Cabral, Jaime Joaquim da Silva ( Co-Orientador). III. Título
UFPE
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Dedicatória
A minha irmã Thayane (in memorian), aos meus pais Artur e Prazeres Paiva, aos meus avós Maria e Alfredo (in memorian) por tudo que me ensinam e ensinaram.
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AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por ter me concedido o dom da vida e por me abençoar diariamente através de trabalho e desafios. Agradeço a meus pais nas pessoas da minha mãe Prazeres Paiva Candido,do meu pai Artur Coutinho e dos meus avós Maria Galindo e Alfredo Primo Paiva (in memorian) pelo amor, pelo carinho e por priorizar a educação mesmo em momentos difíceis.
Ao meu orientador, Professor Antonio Celso Dantas Antonino pela orientação desde a minha primeira iniciação científica, pela cobrança e paciência, pelos puxões de orelha, pelo apoio, por sempre acreditar em minha capacidade, pelas oportunidades de aprender sempre mais, pelo incentivo em vários momentos e por ter influenciado nas minhas escolhas o meu mais sincero obrigado.
Ao meu co-orientador, o professore Jaime Cabral, pelo incentivo, pelas oportunidades concedidas, pelos debates e importantes diálogos sobre vários assuntos, pelos excelentes livros emprestados, pelo apoio durante toda essa pesquisa, fico bastante grato, obrigado!
A professora Suzana M.G.L Montenegro, pelo conhecimento repassado, pelas palavras de incentivo, pela atenção destinada a minha pessoa e a essa pesquisa; lembro de muitos artigos sobre o tema deste trabalho que hora eu recebia por email ou simplesmente apareciam em cima da minha mesa. Agradeço também por ter me influenciado decisivamente em gostar de Hidrologia para ensinar e pesquisar, os meus mais sinceros agradecimentos.
Aos meus amigos Fernandhinha, Roberto Poio Omena pelas horas de madrugada, domingos, feriados e dias santos gastos com entusiasmo na execução de nossos primeiros artigos. Este trabalho faz parte de um sonho nosso!
A minha namorada Katiane, por ter me apoiado e entendido os momentos e finais de semana em que não pudemos estar juntos tento em vista a realização deste tabalho.
Aos alunos do GRH (Janduir, Glauber, João Salgueiro, Giuliano, Fernanda, Daiana, Antonio Freire (sempre lembrando da hora do almoço), Hugo, o casal Manuela e Edevaldo, e ao grande irmão Saraiva Glawbber aos meus companheiros de sala, Albert, Tatiane e Tassia por aturarem minha “organização” e pelos momentos de descontração e amizade nessa caminhada, aos demais pesquisadores especialmente a
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Leidjane Maria pelas palavras sempre sábias nas ocasiões mais diversas, sou grato pelo excelente convívio e apoio durante todo o período dessa pesquisa.
Aos professores do GRH: Roberto Azevedo (grande rubro-negro), Alfredo, Almir Cirilo e Ricardo Braga pelo aprendizado, conversas de corredor e atenção sempre destinadas.
Ao trio Albert (sempre falando sobre o São Paulo e me aturando falar sobre o Sport), Pedro Tyaquiça, grande amigo, sempre disponível e atencioso com todos e a Janaina ( Jana Janinha) pelas conversas descontraídas, pelo apoio em todas as vezes que precisei de ajuda A MACAFERRI , por ter doado o geotêxtil utilizado na execução do experimento, especialmente na pessoa do Engenheiro Civil e amigo Jerônimo Guerra por acreditar no sucesso deste trabalho.
A UFPE, universidade publica como muitas, de qualidade irretocável como poucas, segunda casa dos que trabalham pela sua melhoria, obrigado pela formação!
A FACEPE pela concessão da bolsa de mestrado e incentivo a pesquisa no estado de Pernambuco.
Ao Laboratório de Física do Solo, especialmente aos técnicos e amigos Kassio e Antonio Marques pelo apoio fundamental nos trabalhos de campo e na realização dos ensaios. E como esquecer das divertidas conversas com a Angelim, Carlos, Iane e Claudio ? São muitas histórias!
A diretoria do CTG, nas pessoas do Diretor, Professor Edmilson e Vice- diretor Prof. Antonino por ter cedido o espaço no estacionamento para a realização do experimento, por ser sempre solicito aos pedidos, pelo excelente apoio disponibilizando a estrutura do centro em vários momentos dessa pesquisa.
Aos professores Eduardo Soares de Souza e Vladimir Caramori de Souza pelas sugestões e contribuições nesse trabalho, é uma honra tê-los na comissão julgadora.
(In memorian) a minha irmã Thayane Paiva, lembro-me dela diariamente e seu sorriso e alegria refletem entusiasmo e força para continuar combatendo as adversidades da vida.
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RESUMO
PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
Artur Paiva CoutinhoEm áreas urbanas, a crescente ocupação e impermeabilização dos lotes aliada à falta de planejamento ambiental, tem resultado no aumento considerável de áreas impermeáveis como, por exemplo: telhados, ruas, estacionamentos e outros, os quais alteram significativamente as características qualitativas e quantitativas do ciclo hidrológico. A consequência deste fato é a ocorrência indesejada de problemas de desconforto urbano como as enchentes, o aumento da temperatura, o efeito estufa, e a degradação das águas pluviais, dentre outros.
No caso de Pernambuco, o problema já existe nas áreas urbanas da Região Metropolitana do Recife que por serem muito planas e com baixa declividade apresentam muitos problemas de alagamentos principalmente nos meses de maio, junho e julho.
Sistemas de infiltração como pavimentos permeáveis, apresentam-se como alternativas que permitem uma redução do pico e dos volumes dos hidrogramas de escoamento superficial gerados, permitindo também uma redução da carga poluente, além de favorecer a recarga quantitativa dos lençóis freáticos por infiltração. O objetivo geral deste trabalho é o estudo do uso da técnica pavimento permeável no amortecimento de alagamentos por ocasião das chuvas torrenciais na cidade do Recife. O pavimento foi dimensionado para um tempo de retorno de 2 anos e foi executado no estacionamento do Centro de Tecnologia e Geociências da UFPE resultando em uma seção de 64 cm de espessura.
O trabalho consta de um monitoramento durante duas quadras chuvosas nos anos de 2010 e 2011 de varáveis com precipitação pluviométrica, níveis d’água diários e automáticos da camada de reservatório do pavimento além do monitoramento diário do potencial matricial da água no solo permitindo avaliar a dinâmica de redistribuição da água infiltrada. O solo do material de revestimento e do subleito foram caracterizados utilizando a metodologia Beerkan.
Além disso, foram realizadas simulações numéricas do escoamento e da dinâmica da água no solo (subleito) do pavimento utilizando o Hydrus 1- D, analisando cenários de escoamento, considerando chuvas de projeto baseadas na Metodologia do Bureau Reclamation, chuvas com intensidade constante para vários tempos de retorno. Como dados de entrada foram utilizados as características do solo suporte do experimento como granulometria e parâmetros da curva de retenção de água no solo, além dos potenciais medidos diariamente.
Como resultados observou-se que a camada do revestimento apresentou características de infiltração maiores que a camada do subleito, alguns eventos apresentaram extravasamento mostrando que a metodologia de dimensionamento adotada tinha subdimensionado o sistema, os níveis d’água na camada do reservatório apresentaram elevada sensibilidade aos eventos de precipitação. Além disso, o
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pavimento mostrou capacidade para drenar, em menos de 24 horas, o seu volume mostrando-se preparado para receber o aporte de água decorrentes de outros eventos.
Palavras-chave: pavimento permeável, infiltração, técnicas compensatórias, drenagem
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PERMEABLE PAVEMENT AS A COMPENSATORY
TECHNIQUE IN URBAN DRAINAGE IN THE CITY OF
RECIFE
In urban areas, increasing occupancy and waterproofing of the lots combined with the lack of environmental planning, has resulted in considerable increase in impermeable areas such as: roofs, streets, parking lots and others, which significantly alter the qualitative and quantitative features of the hydrological cycle. The consequence of this fact is the occurrence of unwanted discomfort urban problems such as flooding, rising temperatures, global warming and the degradation of rain water, and others.
In the case of Pernambuco, the problem already exists in urban areas in the Metropolitan Region of Recife, which are very flat and low slope and for this reason, they present many problems of flooding, especially during May, June and July.
Infiltration systems such as permeable pavements are presented as alternatives that allow the reduction of the peak and volumes of run-off hydrographs generated, allowing as well, a reduction of the pollution load, in addition to promoting the quantitative recharge of groundwater by infiltration. The aim of this work is the study of the use of the permeable pavement technique in damping flooding due to torrential rains in the city of Recife. The pavement was designed for a return period of 2 years and was executed in the parking lot of the Center for Technology and Geosciences of UFPE resulting in a section of 64 cm thick.
The study consists of the monitoring, during two rainy blocks in the years of 2010 and 2011, variables with rainfall, daily water and automatic level of the reservoir layer of the pavement beyond the daily monitoring of matric potential of water in soil allowing to evaluate dynamics of the redistribution of infiltrated water. The coating and subgrade material soil were characterized using Beerkan methodology.
Moreover, numerical simulations were performed for flow and dynamics of the water in the soil (subgrade) of the pavement using Hydrus 1 – D, analyzing run-off rainfall scenarios using project rainfalls based in the methodology of Bureau of Reclamation, rain with constant intensity for various return periods. Granulometry and parameters of the retention curve of water in soil, besides the potentials daily measured – characteristics of the soil of experiment – were used as input data.
As results, it was observed that the coating layer showed infiltration features higher than the subgrade layer; some events presented overflowing, showing that the design methodology adopted has undersized the system, the water level in the reservoir layer showed high sensitivity to precipitation events. In addition, the pavement showed capacity to drain in less than 24 hours the volume, showing that it is able to receive the water intake caused by other events.
Key Words: permeable pavement, infiltration, compensatory techniques, urban
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Crescimento populacional da cidade do Recife (IBGE, 2010). 5
Figura 2- Influência do incremento da urbanização na geração do escoamento
superficial direto. Adapado da United States Environmental Protection Agency (EPA)
(2005). 7
Figura 3- Cenários de hidrogramas para bacia natural, bacia urbanizada e bacia
urbanizada com aplicação de BMPs. 8
Figura 4– Esquema do funcionamento dos dispositivos de infiltração. Fonte:
ECOPLUIES (2009). 11
Figura 5 - Esquema de trincheira de infiltração. Fonte: Nascimento (1996). 13
Figura 6 - Esquema simplificado de trincheiras de infiltração e modo de alimentação.
Fonte: Leeflang et al. (1998). 13
Figura 7 – Diferentes tipos de superfícies para simulação do escoamento superficial.
Fonte: Araujo et al.2000. 17
Figura 8 – Esquema de pavimento permeável em escala de laboratório. Adaptado de
Lllgen et al .2006. 19
Figura 9- Evolução da redistribuição da umidade no solo para as durações de: a)
5min, b) 10 min, c) 20 min e d) 25 min. Fonte: Lllgen et al ., 2006. 20
Figura 10- Presença de muitas folhas na superfície do pavimento permeável 24
Figura 11 - O solo como um sistema trifásico. Fonte: Adaptado de Hillel (1998). 25
Figura 12 – Curvas de retenção para diferentes tipos de solo obtidas usando o Hydrus
-1D. 30
Figura 13- Perfil de umidade no solo durante a infiltração. Adaptado de Asawa
(2005). 32
Figura 14- Taxa de Infiltração e infiltração acumulada para solos inicialmente seco e
para o mesmo solo inicialmente úmido. Fonte: Brandão (2006). 33
Figura 15 – Localização do pavimento permeável experimental. 37
Figura 16- Precipitação média mensal para a cidade do Recife no período 1994- 2010.
Fonte dos dados: APAC/LAMEPE. 38
Figura 17- Infiltração acumulada obtida para a superfície do solo natural ou base do
pavimento permeável. 39
Figura 18– Estrutura das camadas do pavimento permeável. 44
Figura 19- Foto do espaço dimensionado para a execução do módulo experimental do
pavimento permeável. 45
Figura 20 – Pavimento permeável preenchido com brita. Vista dos poços de
observação (parte de cima e de baixo da foto). Notar tubo de acesso para sonda de
nêutrons no meio. 46
Figura 21 – Pavimento permeável preenchido com brita e posteriormente execução da
camada de geotêxtil drenante. 47
Figura 22- Camada de areia sobreposta a camada de bidim (a esquerda) e execução do
revestimento em blocos intertravados de concreto vazados. 47
Figura 23 - Execução da camada do revestimento para o pavimento permeável, notar
espaços vazios a espera da grama e que as juntas foram preenchidas com argamassa 48
Figura 24- Pluviômetro automático instalado ao lado do pavimento permeável 48
Figura 25 - Curva granulométrica para a camada de revestimento e para as
xiii permeável.
Figura 26 - a)Sensor de nível utilizado para medição do nível no piezômetro do
pavimento permeável. b) Fixação do sensor de nível a tampa do piezômetro. 52
Figura 27- Profundidades de instalação dos tensiometros para monitoramento do
potencial matricial do solo. 53
Figura 28 – Evolução da precipitação pluviométrica para o período de junho de 2010
a dezembro de 2010 para a estação Várzea-Lamepe. 56
Figura 29 - Espessura da camada de brita do pavimento permeável para durações de
projeto associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20 anos. 57
Figura 30 – Incremento da espessura da camada de agregado graúdo do pavimento
permeável para durações de projeto associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20
anos. 58
Figura 31– Curva de retenção obtida experimentalmente para o solo existente na
camada de revestimento do pavimento permeável. 59
Figura 32 – Infiltração acumulada para a camada superficial do revestimento – Ajuste
aos modelos de Horton e de Philip. 60
Figura 33 – Curva de retenção obtida pela metodologia Beerkan para as camadas do
revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito para o pavimento
permeável 63
Figura 34 – Curva de condutividade hidráulica obtida pela metodologia Beerkan para
as camadas do revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito
para o pavimento permeável 64
Figura 35 – Curva característica obtida experimentalmente e estimada pela
metodologia Beerkan. 65
Figura 36- Precipitação total diária para o mês de abril de 2011. 66
Figura 37- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 18/04/2011. 67
Figura 38- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
18/04/2011. 67
Figura 39- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 19/04/2011. 68
Figura 40 - Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
19/04/2011. 68
Figura 41- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 20/04/2011 69
Figura 42- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
20/04/2011. 69
Figura 43- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 29/04/2011. 70
Figura 44- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
29/04/2011. 71
Figura 45- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 30/04/2011. 71
Figura 46- Variação do nível do nível de água no reservatório do pavimento
permeável em 30/04/2011. 72
Figura 47-Precipitação pluviométrica diária para o mês de maio de 2011. 73
Figura 48- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
xiv
Figura 49- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
01/05/2011. 74
Figura 50- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 02/05/2011. 75
Figura 51- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
02/05/2011. 76
Figura 52 - Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 03/05/2011. 77
Figura 53 - Variação do nível de água a no reservatório do pavimento permeável em
03/05/2011. 78
Figura 54- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 04/05/2011. 79
Figura 55- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
04/05/2011. 79
Figura 56- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 05/05/2011. 80
Figura 57- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
05/05/2011. 80
Figura 58- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 10/05/2011. 81
Figura 59- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
10/05/2011. 82
Figura 60- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 11/05/2011. 83
Figura 61- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
11/05/2011. 84
Figura 62- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 19/05/2011. 85
Figura 63- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
19/05/2011 86
Figura 64- Perfil de potencial matricial da água no solo para o período de 16/04/2011
a 20/04/2011. 87
Figura 65- Perfil de potencial total da água no solo para o período de 16/04/2011 a
20/04/2011. 88
Figura 66- Curva característica calculada e ajustada para o topo do subleito do
pavimento 89
Figura 67- Perfis de umidade volumétrica calculados para o período de 16/04/2011 a
20/04/2011 90
Figura 68- Perfis de potencial matricial monitorados para o período de 28/04/2011 a
01/05/2011 90
Figura 69- Perfis de potencial total monitorados para o período de 28/04/2011 a
01/05/2011 91
Figura 70- Perfis de umidade volumétrica calculados para o período de 28/04/2011 a
01/05/2011 92
Figura 71- Perfis de potencial matricial para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011 93
Figura 72- Perfis calculados de umidade volumétrica para o período de 02/05/2011 a
06/05/2011. 94
Figura 73- Perfis de potencial total para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011. 95
xv
Figura 75- Precipitação pluviométrica diária, níveis máximos diários e níveis mínimos
diários para o período correspondente a 01/07/2011 a 12/07/2011 97
Figura 76- Pavimento permeável como solo sem vegetação. Período de julho de 2011 97
Figura 77- Condição inicial de potencial matricial adotada na simulação 100
Figura 78- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada de
revestimento para diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito
do pavimento 101
Figura 79- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo
do reservatório com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do
subleito do pavimento 102
Figura 80- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada da base
do reservatório diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do
pavimento 103
Figura 81- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo
do solo natural com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do
subleito do pavimento 103
Figura 82- Esquema das condições de contorno adotada para essa simulação 104
Figura 83- Chuva de projeto com duração de 30 minutos e tempo de retorno de 2, 5,
10 e 25 anos para a cidade do Recife. 105
Figura 84 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um
solo natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica
inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 2 anos. 106
Figura 85- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento
permeável 107
Figura 86 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um
solo natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica
inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 5 anos 108
Figura 87- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento
permeável 109
Figura 88- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um
solo natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 10 anos. 110
Figura 89- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um
solo natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 25 anos. 110
Figura 90- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento
permeável para a duração de 15 minutos após o inicio da precipitação e tempos de
retorno de 2 a 25 anos 111
Figura 91- Ajuste das vazões de pico do hidrograma de escoamento superficial com
os seus respectivos tempos de retorno da precipitação de projeto 112
Figura 92- Hidrogramas de escoamento superficial simulado pelo Hydrus 1-D para o
pavimento permeável submetido a precipitações pluviométricas de intensidade
xvi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Efeitos da urbanização sobre as inundações urbanas. Fonte: Tucci, 2009.
3
Tabela 2 - Classificação textural, massa específica do solo, massa específica das partículas do solo e porosidade teórica para os solos do revestimento e subleito do pavimento permeável.
50
Tabela 3 - - Parâmetros de forma da curva de distribuição do tamanho das partículas.
61
Tabela 4 - Resultados do parâmetro de forma das relações h(θ) e K(θ). 61 Tabela 5 -
Valores de S, Ks, θs e hg obtidas através da metodologia Beerkan para as camadas do revestimento, superfície do subleito e a 20 cm do subleito do pavimento permeável
62
Tabela 6 - Propriedades hidrodinâmicas do solo natural estimadas pelo Hydrus 1-D a partir do software Rosetta.
98
xvii
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas APAC Agência Pernambucana de Águas e Clima ASTM American Society for Testing and Materials BMP Best Management Pratices
CTG Centro de Tecnologia e Geociências DEN Departamento de Energia Nuclear EEP Escola de Engenharia de Pernambuco
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística LAMEP Laboratório de Meteorologia de Pernambuco
LID Low Impact Development
NBR Norma Brasileira
NCPTC National Concrete Pavement Technology Center PAC Programa de Aceleração do Crescimento
RMR Região Metropolitana do Recife SCS Soil Conservation Service
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LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo Significado Dimensão
A parâmetro da equação de Philip [L.T-1]
ADRE Área de drenagem [L²]
AINF área de infiltração [L²]
B largura do pavimento permeável [L]
C Coeficiente de escoamento adimensional
C(h) Capacidade Capilar [L-1]
Cλm numero de poros [L]
D Diametro efetivo de uma particula de solo [L] Dg Parametro de escala do tamanho das partículas [L] F(D) Distribuição dos tamanhos das partículas
g aceleração da gravidade [L]
H Espessura da camada de brita [L]
h Potencial Matricial [L] HT Potencial total [L] hg Parametro de normalização [L] hm Potencial Matricial [L] I Infiltração acumulada [L] i Taxa de Infiltração [L.T-1]
if Taxa de Infiltração final [L.T-1]
ii Taxa de Infiltração Inicial [L.T-1]
K Condutividade Hidraulica [L.T-1]
Ks Condutividade Hidraulica Saturada [L.T-1] L Comprimento longitudinal do pavimento permeavel [L] L Profundidade de instalção das capsulas porosas [L]
Lhg Altura da coluna de Mercúrio [L]
m Parâmetro de forma da curva de retanção adimensional M Parametro de forma da curva de F(D) adimensional
Ma Massa de ar [M]
Ml Massa de Agua [M]
Ms Massa de sólidos [M]
Mt Massa total de uma amostra de solo [M] n Parâmetro de forma da curva de retanção adimensional N Parametro de forma da curva de F(D) adimensional
P Potencial de Pressão [L]
pm indice de forma do meio
Po Potencial osmótico [L]
q Fluxo [L.T-1]
S Sorvidade do solo [L.T-0,5
s Dimensão fractal
xix
Va Volume de ar [L³]
Vl Volume de água [L³]
Vs Volume de sólidos [L³]
Vt Volume total de uma amostra de solo [L³]
Vv Volume de vazios [L³]
W Umidade gravimétrica [M.M-1]
Ycubeta distancia vertical da cubeta a um nível de referencia [L]
z potencial gravitacional [L]
β Constante de decaimento [T-1]
δ parametro de forma da difusividade
η Parametro de forma da equação de Brooks & Corey
η Porosidade
ηb porosidade da brita
θ umidade volumétrica [L3.L-3]
θs umidade volumétrica de saturação [L3.L-3]
λc Escala de comprimento capilar [L]
λm Raio caracteristico de poros [L]
μ Coeficiente de viscosidade dinâmica [M.L-1.T-1] ρs Massa específica das partúlas de solo [M.L-3]
xx
Combati o bom combate,
completei a corrida, guardei a fé!
1
Sumário
1.0-INTRODUÇÃO ... 3 2.0- OBJETIVOS ... 9 2.1-OBJETIVO GERAL ... 9 2.2-OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 93.0-OS SISTEMAS DE INFILTRAÇÃO ... 10
4.0-TRINCHEIRAS DE INFILTRAÇÃO ... 12
5.0- PAVIMENTO PERMEÁVEL E DRENAGEM URBANA ... 15
5.1- PAVIMENTOS PERMEÁVEIS: COMPONENTES E MATERIAS UTILIZADOS ... 23
5.2- MANUTENÇÃO DOS PAVIMENTOS PERMEAVEIS ... 23
6.0- MOVIMENTO DA ÁGUA NO SOLO ... 25
6.1 – SOLO, DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES CARACTERISTICAS. ... 25
6.2-RELAÇÕES HÍDRICAS NO SOLO ... 27
6.2.1-FLUXO DA ÁGUA NO SOLO EM CONDIÇÕES DE SATURAÇÃO. ... 27
6.2.2- FLUXO EM CONDIÇÕES DE SOLO NÃO SATURADO - A EQUAÇÃO DE RICHARDS ... 28
6.2.3- CURVAS DE RETENÇÃO DA ÁGUA NO SOLO UTILIZANDO O HYDRUS 1-D ... 29
6.2.4- PARÂMETROS DA EQUAÇÃO DE FLUXO ... 30
6.3-MODELOS DE INFILTRAÇÃO ... 31
6.3.1-CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE A INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO ... 31
6.3.2-COMPORTAMENTO DA INFILTRAÇÃO ... 32 6.3.3- O MODELO DE KOSTIAKOV ... 34 6.3.4- O MODELO DE KOSTIAKOV-LEWIS ... 35 6.3.5- O MODELO DE HORTON ... 35 6.3.6- O MODELO DE PHILIP ... 36 6.3.7- O MÉTODO BEERKAN ... 36 7.0-MATERIAIS E MÉTODOS ... 37
7.1-LOCALIZAÇÃO E CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO ... 37
7.2- ENSAIOS DE INFILTRAÇÃO ... 38
7.2.1- O MÉTODO BEERKAN ... 39
7.3-DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO PERMEAVEL ... 41
7.4. DESCRIÇÃO DO MÓDULO EXPERIMENTAL ... 44
7.5- PRECIPITAÇÃO ... 48
2
7.7 – MONITORAMENTO DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO PAVIMENTO PERMEAVEL ... 51 7.9 - MONITORAMENTO DIÁRIO DO POTENCIAL MATRICIAL DA ÁGUA NO SOLO ... 52 7.10-O HYDRUS 1-D ... 53 7.11-HIPÓTESES E CONSIDERAÇÕES ADOTADAS NAS SIMULAÇÕES NUMÉRICAS UTILIZANDO O HYDRUS 1-D ... 54 8.0-RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 56 8.1-PRECIPITAÇÃO PLUVIOMÉTRICA NO PERÍODO CONSIDERADO ... 56 8.2-ANÁLISE DA SENSIBILIDADE DO DIMENSIONAMENTO ... 56 8.3-CARACTERÍSTICAS DA CAMADA DO REVESTIMENTO E DO SUBLEITO DO PAVIMENTO ... 58 8.4-ANÁLISE DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO DO PAVIMENTO PERMEAVEL ... 65 8.4.1-Eventos do mês de abril de 2011 ... 65 8.4.2-Eventos do mês de maio de 2011 ... 72 8.4.3-Perfis de umidade volumétrica e de potencial matricial para eventos selecionados nos meses de abril e maio de 2011. ... 86 8.4.4-Eventos do mês de junho de 2011. ... 95 8.4.5-Eventos do mês de julho de 2011. ... 96 8.5 - SIMULAÇÃO NUMÉRICA USANDO O HYDRUS 1-D ... 97 9.0-CONCLUSÕES ... 114 10.0-RECOMENDAÇÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 115 10.0-REFERÊCIAS ... 117 11-APÊNDICE ... 132
3
1.0-INTRODUÇÃO
Atualmente, o elevado grau de urbanização e a impermeabilização das superfícies são fatos evidentes em todo o Brasil, trazendo como consequência a ocupação desordenada em áreas de risco (regiões ribeirinhas, morros e encostas), o aumento da velocidade e do volume do escoamento superficial direto, o aumento da temperatura, a degradação da qualidade da água, ocasionando como efeito diversos prejuízos à sociedade.
A urbanização como toda obra que interpõe estruturas pouco permeáveis entre o solo e a chuva, faz com que o escoamento seja incrementado e que a infiltração diminua numa mudança de regime de escoamento localmente mais drástica do que aquela provocada pelo desmatamento (MAPLU, 2009).
O crescimento desordenado da população, a falta de gestão integrada no planejamento urbano, a insuficiência das instalações de sistema de esgotos sanitário e pluvial trazem sérios problemas para as cidades que na sua maioria ainda não dispõem de Planos Diretores de Desenvolvimento Urbano. As áreas urbanas ficam cada vez mais impermeabilizadas, ocorre o aumento dos volumes do escoamento superficial e a aceleração dos escoamentos e, como consequência, alagamentos e inundações.
A ocupação urbana também provoca alterações físicas como o aumento da temperatura, provocado pelas superfícies que absorvem mais o calor da radiação solar a exemplo do concreto e do asfalto. Produzindo assim o aumento da temperatura ambiente gerando desconforto térmico e aumentando o consumo de energia. Muitas cidades com climas tropicais desmatam totalmente a cobertura vegetal e implementam áreas impermeáveis, criando desconforto térmico e prejuízos durante períodos chuvosos. Quando o desenvolvimento urbano possui planejamento com ações adequadas, as áreas verdes são preservadas não apenas para recreação, mas para diminuir a temperatura, amortecer e armazenar o volume de escoamento superficial gerado, integrando as estruturas de drenagem ao meio ambiente urbano.
A Tabela 1, adaptada de Tucci (2009), relata as principais causas e efeitos da urbanização sobre as inundações urbanas. Observa-se que como o subsistema de drenagem é parte de um sistema urbano muito mais complexo, ele deve ser articulado com os outros subsistemas como resíduos sólidos e esgotamento sanitário, por exemplo, uma vez que essas desarticulações podem provocar conforme Tabela 1, problemas de qualidade das águas pluviais urbanas.
4 A ocupação territorial urbana, sem o devido planejamento integrado das diversas infra-estruturas necessárias ao desenvolvimento harmônico da cidade, desencadeou o surgimento de problemas de drenagem por ocasião dos eventos hidrológicos de alta intensidade. Inicialmente, as áreas mais afetadas se localizavam próximas aos cursos de água, em locais de ocupação da calha secundária e nos trechos de jusante em relação a utilização das áreas ribeirinhas. Com a expansão territorial, e mesmo com existência de legislações como as leis federais 4771/65 e 6766/79 , a falta de uma fiscalização que garantissem o disciplinamento adequado do uso e ocupação do solo fizeram com que os problemas de alagamentos e inundações fossem se intensificando e se distribuindo ao longo das linhas naturais de escoamento dos deflúvios superficiais em função da planialtimetria da cidade e do grau de impermeabilização da área de drenagem (MAPLU, 2009).
No caso de Pernambuco, o problema já existe nas áreas urbanas da Região Metropolitana do Recife (RMR) que apesar de representar apenas 3% da área do território pernambucano, concentra 42% da população do estado e mais da metade do PIB estadual (IBGE, 2010). Tal concentração populacional em uma área pequena se deu de maneira acelerada (Figura 1), motivando a ocupação de áreas de risco como morros e áreas ribeirinhas.
Lixo
Degradação da qualidade da água Entupimento de Bueiros e galerias
Redes de esgotos deficientes
Degradação da qualidade da água Moléstias de Veiculação Hídrica
Desmatamento e desenvolvimento indisciplinado
Maiores picos e volumes Mais erosão
Assoreamento em canais e galerias
Ocupação das várzeas
Maiores prejuízos de inundações Maiores picos
5
Figura 1- Crescimento populacional da cidade do Recife (IBGE, 2010).
Os problemas das águas pluviais nas áreas urbanas da RMR se agravam por fatores naturais como a topografia da região que se apresenta com áreas muito planas e com baixa declividade resultando em baixos gradientes hidráulicos. Além disso, alterações artificiais na bacia como aterramento dos mangues e o elevado teor de lixo no sistema de drenagem causado pela falta de uma política de conscientização e educação ambiental para a população apresentam muitos problemas de alagamentos principalmente nos meses de maio, junho, julho e agosto, período no qual se concentra a estação chuvosa.
Além disso, segundo Cabral e Alencar (2005), a cidade do Recife possui riscos de alagamentos devido a várias causas. Entre as quais se observa de forma mais significativa às chuvas torrenciais na própria área da cidade, as chuvas torrenciais nas áreas mais elevadas das cidades vizinhas, inundações fluviais causadas por chuvas nas bacias hidrográficas dos rios que cortam a cidade e marés altas de maior amplitude que chegam a alagar algumas partes baixas da cidade.
As soluções clássicas para esse problema resolvem da forma mais eficiente possível à água dos centros urbanos. Para tanto, as ações se concentram na execução de obras hidráulicas (medidas estruturais), tais como a construção de redes de drenagem, canalizações e retificações de corpos d’água, construção de galerias, dentre outras, a partir das análises econômicas dos benefícios e dos custos desta medida (Canholi, 2005).
0 200.000 400.000 600.000 800.000 1.000.000 1.200.000 1.400.000 1.600.000 1.800.000 1630 1654 1709 1790 1810 1838 1872 1890 1900 1920 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2006 2010 P opulaç ão Ano
6 As limitações das soluções clássicas são ressaltadas pelos prejuízos e dificuldades que as grandes cidades enfrentam para resolver problemas de cheias urbanas, ou seja, à medida que o centro urbano se desenvolve faz-se necessário um remodelamento do sistema de drenagem para adaptá-lo a uma nova situação com hidrogramas de cheias mais rápidos e mais críticos. Dessa forma essas medidas não são definitivas ou sustentáveis, resolvendo o problema de cheia em uma área, mas transferindo esse problema para jusante, demandando assim, o redimensionamento da rede de drenagem a jusante e resultando em custos elevados e cada vez mais onerosos para a sociedade (Souza e Goldefum, 1999).
A medida de controle de escoamento na microdrenagem tradicionalmente utilizada consiste em drenar a área desenvolvida através de condutos pluviais até um coletor principal ou riacho urbano. Esse tipo de solução acaba transferindo para jusante o aumento do escoamento superficial com maior velocidade, já que o tempo de deslocamento do escoamento é menor que nas condições pré-existentes. Dessa forma, acaba provocando inundações nos troncos principais ou na macrodrenagem (Tucci, 2002).
Além disso, a expansão das áreas urbanas modifica a ocorrência natural do ciclo hidrológico, pois, com o ambiente impermeabilizado, parte da água que infiltrava, evaporava ou era retida pela cobertura vegetal, passa a compor o escoamento superficial. Nessas condições ocorre aumento da velocidade de escoamento, redução do tempo de concentração na bacia, aumento e antecipação na vazão a qual pode ter seu valor de pico aumentado em até seis vezes (Tucci, 2009).
A Figura 2 ilustra os efeitos do incremento da urbanização sobre o ciclo hidrológico. Observa-se que com o aumento gradativo da impermeabilização, ocorre uma progressiva diminuição da infiltração rasa e profunda, diminuindo conseqüente a recarga dos lençóis de água subterrânea. Além disso, ressalta-se também uma diminuição da evapotranspiração, uma vez que a impermeabilização das superfícies ocasiona um decrescimento da cobertura vegetal e do conteúdo de água no solo da bacia hidrográfica.
7
Figura 2- Influência do incremento da urbanização na geração do escoamento superficial
direto. Adapado da United States Environmental Protection Agency (EPA) (2005).
A urbanização tem também consequências não hidrológicas que interferem significativamente nas questões da drenagem urbana, principalmente se forem consideradas as condições brasileiras das últimas décadas, marcadas pelo crescimento acelerado e caótico das populações urbanas. Os impactos mais importantes são as consequências sobre a ocupação do solo como proliferação de loteamentos executados sem condições técnicas adequadas; ocupação de áreas impróprias (várzeas de inundação e cabeceiras íngremes); propagação de favelas e invasões além de ocupação extensa e adensada dificultando a construção de canalizações e eliminando áreas de armazenamento (Tucci, 2009). Segundo Fergunson (2005), as edificações são responsáveis por uma faixa de 30 - 35% das áreas impermeáveis enquanto que as superfícies pavimentadas correspondem aos 60 - 65% restantes. Nesse sentido, nota-se a necessidade da utilização de novas tecnologias que busquem reduzir a geração de escoamento na pavimentação de superfícies.
Basicamente, o incremento do escoamento superficial é resultado das ações do homem sobre o meio ambiente, ocasionando modificações hidrológicas que geralmente acompanham o desenvolvimento urbano. Nesse contexto, surgiram novas práticas com o objetivo de
8 diminuir ou compensar o impacto gerado pela urbanização. Essas práticas são denominadas “Low Impact Development” (LID), que são novas formas de manejo sustentável das águas pluviais urbanas, e possuem como objetivo gerar um desenvolvimento que promova a redução do volume de escoamento superficial direto e a redução da poluição das águas pluviais pelo restabelecimento das condições de infiltração e armazenamento em nível local (controle na fonte) e global na bacia hidrográfica.·.
De acordo com a EPA (2009), as formas mais comuns das LID são as medidas de conservação e/ou preservação das áreas naturais e das várzeas de inundação, a adoção dos sistemas de infiltração, os reservatórios para armazenamento da água escoada, os sistemas de filtração.
Na tentativa de se proteger contra as cheias urbanas, evitando o redimensionamento do sistema de drenagem, surge a idéia de reconstituir a vazão de pré-ocupação, fazendo com que a água da chuva volte a ser interceptada, antes de atingir a rede de drenagem. Dessa forma as chamadas medidas alternativas ou compensatórias de drenagem, também chamadas BMPs (Best Managment Practices), como pavimento poroso, trincheiras de infiltração, reservatório de detenção, dentre outras, se apresentam como bons instrumentos de controle do escoamento superficial tendo como objetivo preservar as condições hidrológicas da bacia pré-urbanizada, apresentando os processos naturais para promover a drenagem e disposição das águas pluviais, reduzindo os impactos para um nível aceitável (Figura 3).
Figura 3- Cenários de hidrogramas para bacia natural, bacia urbanizada e bacia urbanizada
com aplicação de BMPs. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 3 6 9 12 15 V az ão de e sc oa mento super fic ial tempo Bacia urbanizada Bacia natural
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2.0- OBJETIVOS
2.1-OBJETIVO GERAL
Estudar o uso de um pavimento permeável na Cidade do Recife, avaliando o comportamento hidráulico e hidrológico deste dispositivo, experimentalmente e por meio de simulação numérica.
2.2-OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Como objetivos específicos podem ser citados:
Instalar um dispositivo experimental e realizar o monitoramento de um pavimento permeável;
Avaliar a capacidade tanto da camada de revestimento quanto da camada de base de um pavimento permeável composto por blocos intertravados preenchidos com grama na retenção, infiltração e amortecimento das vazões de escoamento superficial em uma área de estacionamento;
Simulação numérica do escoamento superficial direto e da dinâmica da água no solo suporte para o pavimento permeável, analisando cenários de funcionamento do dispositivo utilizando o Hydrus – 1D;
10
3.0-OS SISTEMAS DE INFILTRAÇÃO
Os sistemas compensatórios de infiltração são dispositivos que facilitam a retenção e o amortecimento do escoamento superficial direto, possibilitando o escoamento das águas pluviais para o subsolo, desempenhando funções de controle dos fluxos de água na superfície e de poluentes provenientes (hidrocarbonetos, metais pesados) das bacias de drenagem. Esses dispositivos precisam ser eficientes e robustos para resistir a ações relacionadas ao comportamento da comunidade onde eles estão inseridos, bem como às operações de manutenção que devem ocorrer não apenas para manter o seu desempenho hidrológico, uma vez que essas estruturas possuem funções ligadas aos aspectos de drenagem urbana, e também ás características estéticas e paisagísticas integradas ao meio ambiente urbano ( Moura et al. (2009).
Esses dispositivos promovem um armazenamento temporário da água oriunda do escoamento superficial em um reservatório de pedras. Durante o armazenamento a água é evacuada para as camadas subjacentes e a taxa dessa queda do armazenamento do reservatório de pedras depende das características hidrodinâmicas do solo suporte dessas estruturas (taxa de infiltração inicial, condutividade hidráulica saturada, porosidade e estrutura do solo) e das características de qualidade da água que percola para a camada onde ocorre estoque temporário, uma vez que a presença de partículas finas age diminuindo a porosidade através do processo de colmatação dos dispositivos. A Figura 4 mostra um esquema da interação entre alguns dos sistemas de infiltração e as zonas não saturada (vadosa) e a saturada.
11
Figura 4– Esquema do funcionamento dos dispositivos de infiltração. Adaptado de
ECOPLUIES (2009).
Para Acioli (2005), as estruturas de infiltração podem trabalhar tanto na redução de vazões máximas, funcionando como reservatórios de amortecimento, quanto na redução dos volumes escoados, através da infiltração das águas drenadas, podendo desempenhar também um importante papel na remoção e controle de poluentes do escoamento superficial. São, portanto, estruturas que recuperam de forma mais ativa as condições de pré-ocupação, com relação as estruturas de detenção e retenção que apenas efetuam função de amortecimento.
As vantagens e desvantagens dos dispositivos que permitem maior infiltração e percolação resumem-se em (Urbonas e Stahre, 1993; Azzoutt et al., 1994; Bettes, 1996; Nascimento et al.,1997; Souza, 2002; Baptista, 2005; EPA, 2009):
Aumento da recarga dos aquíferos;
Redução de ocupação em áreas com lençol freático baixo; Preservação da vegetação natural;
Redução da poluição transportada para os rios; Redução das vazões máximas a jusante; Redução dos tamanhos dos condutos;
Possibilidade de os solos de algumas áreas ficarem impermeáveis devido a colmatação;
Falta de manutenção;
aumento do nível do lençol freático atingindo construções em subsolo.
A capacidade de operação dos dispositivos de infiltração está fortemente relacionada à capacidade de infiltração do solo natural que vai servir de suporte para esta estrutura hidráulica, a literatura técnica sobre o assunto tem adotado a condutividade hidráulica do solo como um parâmetro suficiente para verificar a adequação do solo para receber dispositivos deste tipo. Azzout et al.(1994) consideram que sistemas de infiltração são viáveis para serem implantados em solos com condutividade hidráulica superior a 10-6m/s. Para Bettess (1996), esse valor dever ser superior a 10-10 m/s, valores de condutividade hidráulica entre e 10-6 e 10-3 m/s são considerados suficientes para Alfakih et al. (1999) e Baptista et al. (2005), no entanto, outro trabalho como Wong (2006) indica valores adequados de permeabilidade entre 10-5 a
12 10-8 m/s e Barraud (2006) e ECOPLUIES (2009) aconselham valores de condutividade hidráulica entre 10-6 e 10-2 m/s. Observa-se que os valores de condutividade hidráulica apresentam grande diferença, num limite inferior de 10-10 m/s a um limite superior de 10-3 m/s, a enorme distancia entre esses valores deve interferir basicamente em uma diminuição da área de infiltração requerida para o dispositivo a medida que a condutividade hidráulica aumenta. Para os casos em que a condutividade hidráulica apresentar valores baixos, recomenda-se a adoção de sistemas de armazenamento ou o dimensionamento de drenos.
Para a EPA (1999), sistemas de infiltração devem ser instalados em solos cuja condutividade hidráulica permita uma drenagem do dispositivo quando em operação para um tempo mínimo de 12 horas e um máximo de 72 horas sendo que 24 horas é o valor recomendado. Basicamente, a amplitude desse tempo de detenção é controlada por fatores como a característica local da chuva, tipo de solo e questões operacionais decididas na fase de projeto que influenciam decisivamente no desempenho hidráulico dos dispositivos uma vez que é importante que os mesmos estejam preparados para receber eventos sucessivos.
Além disso, deve-se estar atento a valores elevados da condutividade hidráulica, uma vez que poluentes oriundos da água de escoamento superficial podem contaminar as águas subterrâneas, pois valores elevados de velocidade da água nos poros dificultam os processos de filtração e aderência dos poluentes ao meio poroso. Para esses casos, Barraud et al. (2006) e o ECOPLUIES (2009) indicam a utilização de sistemas de pré-tratamento, porque além dos riscos de contaminação do lençol freático devem ser considerados os riscos de colmatação e consequentemente a perda de permeabilidade dos dispositivos. Segundo Silva (2007), a discussão sobre os valores mínimos de condutividade hidráulica se refere a capacidade de drenagem do solo, que não deve ser muito baixa, e o valor máximo se refere a capacidade de remoção de poluentes e ao risco de contaminação do aqüífero, uma vez que uma elevada condutividade hidráulica conduziria a uma baixa capacidade de filtração dos poluentes pelo solo.
4.0-TRINCHEIRAS DE INFILTRAÇÃO
As trincheiras são técnicas compensatórias lineares, implantadas junto à superfície ou a pequena profundidade, com a finalidade de recolher águas pluviais de afluência perpendicular ao seu comprimento, favorecendo a infiltração e/ou armazenamento temporário (Baptista 2005). Também podem ser definidos como dispositivos de drenagem do tipo
13 controle na fonte e tem seu princípio de funcionamento no armazenamento temporário da água até que ela infiltre no solo. São constituídas por valetas preenchidas por material granular (brita, pedra de mão e outros), com porosidade em torno de 40%. Esse material é revestido por filtro geotêxtil, que, além de função estrutural, impede a entrada de finos no dispositivo, reduzindo o risco de colmatação precoce e podendo trabalhar como filtro anti-contaminante (Nascimento, 1996).
Figura 5 - Esquema de trincheira de infiltração. Fonte: Silva (2007).
O funcionamento das trincheiras é bastante simples. O acesso das águas superficiais à estrutura pode ser efetuado diretamente, através da superfície do dispositivo, ou através de um sistema convencional de drenagem, que efetua a coleta da água e sua introdução na trincheira (Baptista 2005).
Na Figura 6 são apresentados esquemas simplificados de trincheiras, ilustrando diferentes modos de alimentação.
A
Figura 6 - Esquema simplificado de trincheiras de infiltração e modo de alimentação e
14 s vantagens da utilização deste tipo de estrutura são apresentadas a seguir (Nascimento, 1996); Graciosa (2005); Lima (2009):
Diminuição ou mesmo eliminação da microdrenagem local; Evita a construção de rede a jusante em caso de saturação; Redução do risco de inundação;
Redução da poluição das águas de origem pluvial; Recarga das águas subterrâneas;
Boa adaptação ao meio ambiente urbano; Baixo custo
Fácil construção
Em relação à redução da poluição das águas pluviais, diversos trabalhos relatam moderadas e altas taxas de eficiência de remoção. Urbonas e Sthare (1993) relatam percentuais de redução de 60 a 99 % para diversos poluentes, sendo de 98% a remoção de bactérias ( procurar referencia mais atualizada, retirar urbonas ou complementar com outros autores).
Como desvantagens em sua utilização, podemos citar:
Dificuldades de se conseguir informações sobre o seu funcionamento em longo prazo.
Dificuldades em se obter critérios de dimensionamento.
Além disso, segundo Baptista et al.(1998) faltam informações que permitam a avaliação de custos de instalação, manutenção e operação, o que dificulta uma avaliação do interesse econômico de sua implantação.
A aplicabilidade desse tipo de estrutura depende de vários fatores e a escolha do local de implantação deve obedecer a alguns critérios, apresentados a seguir (Urbonas e Stahre, 1993):
Profundidade mínima sazonal do lençol freático e da camada impermeável a pelo menos 1,2m de profundidade;
15
Classificação do solo nas categorias A e B do Soil Conservation Service ou taxa de infiltração do solo saturado igual ou maior que 8 mm/h.
Não devem ser instaladas sobre aterros ou em terrenos de grande declividade;
Adequadas para pequenas áreas de drenagem, com lotes de pequenas dimensões;
5.0- PAVIMENTO PERMEÁVEL E DRENAGEM URBANA
Pavimento permeável é um dispositivo de infiltração no qual o escoamento superficial é desviado para dentro de um reservatório de pedras localizado sob a superfície do terreno (Urbonas e Stahre, 1993; Freni et al., 2010).
A sua utilização em áreas urbanas visa reduzir a área drenada superficialmente, melhorar a qualidade da água e contribuir para o aumento da recarga da água subterrânea (Collins et al., 2007; Kuang et al., 2011).
Superfícies composta por revestimentos como concreto poroso, asfalto poroso e blocos intertravados (vazados ou não vazados) são alternativas contidas nos conceitos das BMPs “Best Management Pratices” que visam retomar ou aproximar as condições de infiltração do solo àquelas situações de pré-ocupação do solo (Bean et al., 2004), ou seja, o uso dessas alternativas busca compensar os efeitos da ocupação do solo gerado pela urbanização.
Segundo Tucci (2009), os pavimentos permeáveis são compostos por duas camadas de agregados, uma de agregado fino ou médio e outra de agregado graúdo mais a camada de pavimento permeável propriamente dito.
A água proveniente do escoamento se infiltra rapidamente na capa ou revestimento poroso (espessura de 5 a 10 cm), passa por um filtro de agregado e vai para uma camada ou reservatório de pedras mais profundo com agregados de 3,8 a 7,6 cm de diâmetro. A camada de revestimento permeável somente age como um conduto rápido para o escoamento chegar ao reservatório de pedras subterrâneo (Araújo, 2000). Basicamente o pavimento permeável age filtrando e armazenando a água de escoamento superficial diminuindo o risco de alagamento (Scholz e Grabowiecki, 2004).
O escoamento, nesse reservatório, poderá ser coletado por tubos de drenagem e transportado para uma saída. Assim, a camada de armazenamento dos pavimentos porosos é
16 determinada pela espessura do reservatório de pedras subterrâneo, somado ao escoamento perdido por infiltração para o subsolo.
Segundo Baptista (2005), podem ser identificados três níveis diferentes de atuação dos pavimentos no controle da produção do escoamento superficial:
i) pavimentos dotados de revestimentos superficiais permeáveis que possibilita a redução da velocidade do escoamento superficial, a retenção temporária de pequenos volumes na própria superfície do pavimento e a infiltração de parte das águas pluviais;
ii) pavimentos dotados de estrutura porosa, onde é efetuada a detenção temporária das águas pluviais, provocando o amortecimento de vazões e a alteração no desenvolvimento temporal nos hidrogramas;
iii) pavimentos dotados de estrutura porosa e de dispositivos de facilitação da infiltração, onde ocorre tanto a detenção temporária das águas pluviais como também a infiltração de parte delas. Obtém-se assim o amortecimento de vazões, a alteração temporal nos hidrogramas e a redução dos volumes efetivamente escoados.
Este tipo de controle apresenta as seguintes vantagens (ECOPLUIES, 2009; Rowe et al.,2010):
Redução do escoamento superficial previsto com relação a superfície impermeável;
Redução dos condutos da drenagem pluvial;
Redução dos custos do sistema de drenagem pluvial e da lâmina de água de estacionamentos e passeios;
Melhoria da qualidade da água durante o processo de infiltração;
Em relação às desvantagens, podemos citar:
Manutenção do sistema para evitar que fique colmatado com o tempo;
Maior custo direto da construção (sem considerar o benefício de redução dos condutos);
Risco de contaminação dos aqüíferos
Atualmente, existem vários estudos referentes ao monitoramento e principalmente a modelagem/simulação numérica de pavimentos permeáveis. Araujo et al. (2000) utilizaram um simulador de chuvas para comparar os valores do escoamento superficial gerado por seis
17 superfícies utilizadas na pavimentação: 1) solo compactado; 2) concreto convencional; 3) pavimento de paralelepípedo e juntas de areia; 4) pavimento com blocos de concreto e juntas de areia; 5) blocos de concreto vazado, preenchidos com areia e 6) concreto poroso, respectivamente. Foi utilizado um simulador de chuvas em módulo de 1m² de cada umas das superfícies (Figura 7).
Após simular uma chuva com período de retorno de 5 anos, determinaram-se os valores de coeficiente de deflúvio para cada superfície, sendo que o concreto poroso e os blocos vazados apresentaram valores de escoamento superficial da ordem de 5%.
Figura 7 – Diferentes tipos de superfícies para simulação do escoamento superficial. Fonte:
Araujo et al.2000.
Estudos como os de Gilbert e Clausen (2006) e Bean et al. (2007) comparam as diferenças entre os hidrogramas gerados por superfícies convencionais (concreto e asfalto) e pavimentos permeáveis com superfícies em concreto poroso e asfalto poroso. Nesses estudos, além da verificação do amortecimento da vazão efluente dos dispositivos, foi verificada também a diferença de qualidade da água do escoamento superficial gerado por superfícies convencionais e após passar pelos dispositivos de infiltração, os autores mostraram que os pavimentos promovem uma melhoria nos parâmetros de qualidade, principalmente naqueles que ficam retidos no processo de filtração da água no meio poroso.
Moura (2005) realizou um estudo de caso, em uma área de estacionamento, no qual se procurou avaliar o impacto de geração do escoamento superficial das superfícies de asfalto, chão batido, blocos maciços e blocos vazados em relação a superfície gramada. Os resultados mostraram que o chão batido fez com que o coeficiente de escoamento superficial aumentasse quase quatro vezes em relação a superfície gramada, comprovando que a retirada de
18 vegetação e compactação do solo causam impacto no escoamento superficial da bacia hidrográfica. Quanto aos blocos maciços, o impacto do escoamento chegou a ser quase seis vezes o da superfície gramada. Além disso, os blocos vazados foram as estruturas mais eficientes no controle do escoamento superficial, sendo em certos casos mais eficiente que as superfícies gramadas.
Silva et al. (2009) verificaram a eficiência de dois tipos de revestimentos permeáveis compostos por blocos de concreto. Foram avaliadas experimentalmente: (i) revestimento com blocos maciços e (ii) revestimento com blocos vazados. Para cada tipo de revestimento foram instaladas parcelas de 1m², variando-se o valor da declividade longitudinal e o estado de compactação do substrato. Parte dessas parcelas foi submetida à passagem de veículos e recebeu aporte de sedimentos sobre sua superfície. Por meio da aplicação de chuvas artificiais sobre as parcelas, foi possível caracterizar a evolução temporal das lâminas escoadas e determinar os coeficientes de escoamento. A partir dos resultados obtidos, constatou-se que a superfície com blocos vazados foi mais eficiente no controle da geração de escoamento, mesmo para a situação em que o substrato foi compactado e para valores elevados de declividades. Entretanto, verificou-se que o efeito da passagem de veículos, juntamente com a deposição de sedimentos, pode provocar a perda quase total de eficiência desse tipo de revestimento. Os resultados permitiram, também, identificar fatores que podem contribuir de forma predominante para a produção de escoamento superficial nesses revestimentos.
Maus et al. (2007) avaliaram a eficiência de diferentes tipos de pavimentos urbanos na infiltração de água no solo e na geração de escoamento superficial. O trabalho se deu com a utilização de parcelas experimentais de 3 m² cada e declividade de 7 %. As superfícies testadas foram pavimento permeável, solo gramado, paralelepípedo e asfalto. O autor concluiu preliminarmente que a utilização de pavimento permeável reduziu em 100 % o escoamento superficial, mostrando-se mais eficiente que o solo natural gramado o qual apresentou redução na geração de escoamento em 97,63%.
Fassman et al. (2010) estudaram o desempenho de um pavimento permeável na cidade Auckland, Nova Zelândia, com 35 metros de comprimento, 6 metros de largura e 48 centímetros de espessura divididos em duas camadas por um geotêxtil. A primeira camada de 23 cm de areia grossa, atuando como camada de filtração para mitigar a qualidade da água de escoamento de superficial, a segunda camada composta por agregado graúdo de 25 mm de diâmetro. O solo natural abaixo do pavimento era composto por um silte argiloso com condutividade hidráulica saturada da superfície de 4 .10-9 m/s, com classificação hidrológica
19 no grupo C do Soil Consevacion Service, com CN 74. Com o monitoramento de 81 eventos de chuvas intensas durante 3 anos, o pavimento permeável em comparação ao asfalto convencional resultou em um amortecimento do hidrograma variando entre 19% a 82% da vazão de pico.
Lllgen et al. (2006) construíram um módulo experimental, com superfície permeável composta por blocos intertravados de um metro quadrado (Figura 8). O espaço entre os blocos (juntas) possui espessura de um centímetro, a declividade do dispositivo no módulo experimental permitia uma variação de 0 a 10 %. A precipitação pluviométrica no citado protótipo foi gerada através de um simulador de chuvas, o qual variava a intensidade de precipitação no intervalo de 10,8 a 360 mm/h. O revestimento era apoiado sobre uma camada de solo de espessura de 50 cm, o qual possuía um sistema de monitoramento do conteúdo de água do solo através da reflectometria no domínio do tempo (TRD). O volume de escoamento superficial gerado e o volume de água drenado eram medidos por meio de uma balança de precisão (figura 8). Além disso, foi simulado o efeito do “envelhecimento” da superfície através de uma colmatação usando um aporte de sedimentos finos que gerassem uma diminuição nas condições de infiltração, decorrente da utilização ao longo tempo. Para isso, os autores utilizaram sílica na proporção de 200 a 400 g/m².
O
Os autores concluíram que para uma mesma intensidade de precipitação e para declividades de 2,5 %, 5,0% e 7,5 %, os pavimentos permeáveis novos, ou seja, no início da operação, apresentavam a mesma capacidade de infiltração. No entanto, a medida que ocorria um envelhecimento ou uma colmatação decorrente da utilização da superfície ao longo do tempo,
Figura 8 – Esquema de pavimento permeável em escala de laboratório. Adaptado de
