UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMADEPÓS-GRADUAÇÃOEMENGENHARIACIVIL
CÂMPUSPATOBRANCO
ÂNGELO TOSCAN NETO
SIMULAÇÃODESISTEMASDEDRENAGEMURBANASUSTENTÁVEL
APLICADAEMUMLOTEAMENTOURBANOUTILIZANDOOEPASWMM
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
PATOBRANCO
ÂNGELOTOSCANNETO
SIMULAÇÃODESISTEMASDEDRENAGEMURBANASUSTENTÁVEL
APLICADAEMUMLOTEAMENTOURBANOUTILIZANDOOEPASWMM
Dissertação de Mestrado, Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de mestre em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. Cesar Augusto Medeiros Destro
PATOBRANCO
Ficha Catalográfica elaborada por Rosana Silva CRB9/1745
Biblioteca da UTFPR Campus Pato Branco
T713s Toscan Neto, Ângelo.
Simulação de sistemas de drenagem urbana sustentável aplicada em um loteamento urbano utilizando o EPA SWMM / Ângelo Toscan Neto -- 2019.
98 f. : il. ; 30 cm.
Orientador: Prof. Dr. Cesar Augusto Medeiros Destro
Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Pato Branco, PR, 2019.
Bibliografia: f. 65 - 68
1. Drenagem. 2. Calibração. 3. Meio ambiente- sustentabilidade. I. Destro, Cesar Augusto Medeiros, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. III. Título.
Campus Pato Branco
Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PR
TERMO DE APROVAÇÃO Título da Dissertação n.° 37
“Simulação de Sistemas de Drenagem Urbana Sustentável Aplicada em um Loteamento Urbano Utilizando o EPA SWMM”
por
Ângelo Toscan Neto
Dissertação apresentada às quatorze horas e trinta minutos, do dia vinte e oito de junho de dois mil e dezenove, como requisito parcial para obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Pato Branco. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho APROVADO.
Banca examinadora:
Prof. Dr. Cesar Augusto Medeiros Destro
(orientador)
UTFPR/PB
Prof. Dr. Murilo Cesar Lucas
UTFPR/PB
_______________________________
Prof. Dr. Daniel Costa dos Santos
UFPR/CT
Homologado por:
Prof. Dr. Murilo Cesar Lucas
Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGEC/UTFPR
A via original do Termo de Aprovação, devidamente assinada, encontra-se na Coordenação do PPGEC.
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu orientador, professor Dr. Cesar Augusto Medeiros Destro, pelo companheirismo durante os anos de estudos, desempenhando com profissionalismo seu trabalho, transmitindo seu conhecimento, sendo um exemplo de professor e amigo, em que suas atitudes e seus valores servirão como guia para a minha trajetória profissional e acadêmica.
RESUMO
O município de Dois Vizinhos - PR acompanha a realidade regional e apresenta amplo crescimento urbano horizontal através da criação de loteamentos. Em sua maioria, são construídos utilizando sistemas convencionais de drenagem urbana. No entanto, essa concepção de drenagem tem mudado ao longo dos anos, sendo complementada ou substituída por conceitos mais recentes. Dessa forma, surgiram novas técnicas, como os Sistemas Sustentáveis de Drenagem Urbana (SuDS), que visam o controle do escoamento superficial junto à fonte geradora, diminuindo volumes e vazões a valores próximos daqueles antes da urbanização. Partindo dessa análise, escolheu-se um loteamento característico da região, afim de, o modelar computacionalmente visando caracterizar os hidrogramas de saída da rede de microdrenagem para as condições de pré e pós-ocupação, e avaliar as medidas de drenagem urbana sustentável quanto à efetividade de redução do escoamento superficial. O lançamento do modelo computacional foi realizado no software EPA SWMM. Os dados de precipitação foram obtidos por pluviômetro instalado no local e os dados das vazões do escoamento superficial foram obtidos simultaneamente aos dados de precipitação, através de uma calha parshall instalada no exutório da rede de drenagem. Após a calibração e validação do modelo, foram inseridas as configurações de pós-ocupação para as simulações com a implantação dos SuDS. Os dispositivos escolhidos foram os microrreservatórios de detenção, bacia de detenção e trincheiras de infiltração. Para o cenário analisado, ao compararmos o volume de escoamento superficial total da situação de pré-ocupação com a situação de pós-ocupação, observou-se um aumento de mais de 118%. A vazão de pico também teve um aumento considerável, passando de 41,83 L/s para 142,21 L/s, comparando as mesmas situações anteriores. A utilização de trincheiras de infiltração combinadas à bacia de detenção demonstrou eficiência tanto na redução do volume de escoamento superficial quanto na redução das vazões de pico, para o cenário apresentado, sendo desprezível a combinação dos microrreservatórios de detenção junto aos mesmos, devido sua baixa contribuição na redução dos parâmetros analisados.
ABSTRACT
The town of Dois Vizinhos - PR follows the regional reality and presents wide horizontal urban growth. Most are built using conventional urban drainage systems. However, this approach of urban drainage has been changed over the years, being complemented or replaced by newer ones. Thus, new techniques such as Sustainable Urban Drainage Systems (SuDS) have emerged, which aim at controlling the surface runoff at the source, reducing volumes and flow rates close to those before urbanization. Based on this analysis, a region-specific basin was chosen in order to model the hydrographs of the drainage network for pre and post-occupation conditions, and to evaluate the measures of sustainable urban drainage in terms of effectiveness to reduce the runoff. The Storm Water Management Model (SWMM), developed by the Environmental Protection Agency (EPA), was used for modeling. The rainfall data were obtained by a rain gauge installed in the site and the runoff data were obtained, through a parshall flume installed in the drainage system outlet. Model calibration and validation was performed using experimental data. The post occupation scenario was formulated considering the guidelines of the municipal masterplan. To control the surface runoff, the adopted measures were: detention reservoir, detention basin, and infiltration trenches. When comparing the total surface flow volume of the pre-occupation scenario with the post-occupation scenario, an increase of more than 118% was observed. The peak flow increased, from 41.83 L/s to 142.21 L/s, comparing the same previous scenarios. The implementation of infiltration trenches associated with a detention basin was able to reduce the total flow volume as well as the peak flow. On the other hand, the use of detention reservoirs was not efficient in such purposes.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Sistemas de esgoto combinados tradicionais e separados...18
Figura 2: Sistema de drenagem urbana sustentável integrado ao espaço urbano...23
Figura 3: Gráfico de hidrograma com condições após a construção da urbanização e após as medidas corretivas...23
Figura 4: Concepção geral dos SuDS...26
Figura 5: Corte esquemático de um microrreservatórios de detenção...28
Figura 6: Microrreservatório de detenção residencial...28
Figura 7: Bacia de detenção ajardinada com design de paisagem...30
Figura 8: Bacia de detenção com uso alternativo de recreação...30
Figura 9: Trincheira de infiltração...32
Figura 10. Geração do escoamento no modelo SWMM...35
Figura 11: Loteamento Xavier – Município de Dois Vizinhos – PR...39
Figura 12: Precipitação entre 2007 e 2016 no município de Dois Vizinhos - PR...40
Figura 13: Mapa de lotes do Loteamento Xavier. Fonte: Acervo do autor...41
Figura 14: Vista aérea do Loteamento Xavier em 07/06/2017...41
Figura 15: Mapa da rede de drenagem e levantamento planialtimétrico do Loteamento Xavier...42
Figura 16: Demonstrativo do escoamento superficial das sub-bacias dos lotes...44
Figura 17: Topologia do sistema de drenagem e áreas de contribuição...44
Figura 18: Pluviômetro utilizado no estudo...45
Figura 19: Calha Parshall utilizada no estudo...46
Figura 20: Exutório da rede de drenagem vista lateral...47
Figura 21: Exutório da rede de drenagem vista a jusante (a) e a montante (b)...47
Figura 22: Estado de conservação do pavimento poliédrico do loteamento...49
Figura 23: Diagrama das simulações realizadas para o evento 3 de precipitação...49
Figura 24: Situação de pré-ocupação com as sub-bacias dos lotes conectadas ao sistema...51
Figura 25: Hidrograma e hietograma dos dados observados para o evento 3 de precipitação...54
Figura 26: Hidrograma e hietograma dos dados observados para o evento 1 de precipitação...55
Figura 27: Hidrograma e hietograma dos dados observados para o evento 2 de precipitação...56
Figura 28: Simulações de pré-ocupação, pré-ocupação com sub-bacias de lotes conectadas e pós-ocupação...57
Figura 29: Simulação de pós-ocupação + Trincheira de infiltração...58
Figura 30: Simulação de pós-ocupação + Bacia de detenção...59
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Ferramentas de modelagem para o gerenciamento de recursos hídricos...33
Tabela 2: Resultados da performance do modelo EPA SWMM das simulações para o evento 3...55
Tabela 3: Resultados da performance do modelo EPA SWMM das simulações para o evento 1...56
Tabela 4: Resultados da performance do modelo EPA SWMM das simulações para o evento 2...57
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...13 2 OBJETIVOS...15 2.1 OBJETIVO GERAL ... 15 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15 3 REVISÃO DA LITERATURA...16 3.1 IMPACTOS DA URBANIZAÇÃO ... 16
3.2 SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA ... 17
3.2.1 Abordagem tradicional da drenagem urbana ... 19
3.2.2 Abordagem compensatória da drenagem urbana ... 20
3.2.3 Abordagem sustentável da drenagem urbana ... 22
3.2.4 Medidas estruturais em drenagem urbana sustentável ... 27
3.2.4.1 Microrreservatórios de detenção ... 27
3.2.4.2 Bacias de detenção ... 29
3.2.4.3 Trincheiras de infiltração ... 31
3.3 MODELAGEM COMPUTACIONAL COMO FERRAMENTA AUXILIAR AO DIMENSIONAMENTO DE REDES DE DRENAGEM ... 32
3.3.1 SWMM - storm water management model ... 34
3.3.1.1 Modelo chuva-vazão ... 35
3.3.1.2 Modelos de transporte hidráulico ... 36
3.3.1.3 SuDS no EPA SWWM ... 38
4 MATERIAIS E MÉTODOS...39
4.1 ÁREA DE ESTUDO ... 39
4.2 ENTRADA DE DADOS NO EPA SWMM ... 43
4.3 AQUISIÇÃO DE DADOS DE PRECIPITAÇÃO E DE VAZÃO ... 45
4.5 PERFORMANCE DO MODELO ... 50
4.6 SIMULAÇÃO DO MODELO DE PÓS-OCUPAÇÃO ... 51
4.7 IMPLANTAÇÃO SIMULADA DE DISPOSITIVOS DE SUDS ... 52
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES...54
5.1 AVALIAÇÃO DA CALIBRAÇÃO DO MODELO ... 54
5.2 VALIDAÇÃO DO MODELO ... 55
5.3 PRÉ-OCUPAÇÃO E PÓS-OCUPAÇÃO ... 57
5.4 SITUAÇÃO DE PÓS-OCUPAÇÃO COM IMPLANTAÇÃO DE SuDS ... 58
5.5 SITUAÇÃO DE PÓS-OCUPAÇÃO COM IMPLANTAÇÃO DE SuDS COMBINADOS ... 61
6 CONCLUSÕES...63
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...65
APÊNDICE A – QUADROS DE PARÂMETROS ADOTADOS...69
APÊNDICE B – EVENTOS DE PRECIPITAÇÃO...72
APÊNDICE C – CONFIGURAÇÕES DOS TRECHOS, NÓS E EXUTÓRIOS PARA TODAS AS SIMULAÇÕES...79
APÊNDICE D – CONFIGURAÇÕES DAS SIMULAÇÕES DE PRÉ-OCUPAÇÃO...82
APÊNDICE E – CONFIGURAÇÕES DA SIMULAÇÃO DE PRÉ-OCUPAÇÃO COM AS SUB-BACIAS DOS LOTES E RUAS CONECTADAS AO SISTEMA...88
APÊNDICE F – CONFIGURAÇÕES DA SIMULAÇÃO DE PÓS-OCUPAÇÃO...91
1 INTRODUÇÃO
No processo de urbanização, áreas antes compostas de vegetação nativa são convertidas em áreas altamente impermeabilizadas ocasionando diversos problemas ambientais. Dentre eles, destaca-se o aumento da erosão, da vazão e do volume do escoamento em eventos de chuva na bacia (Soil Conservation Service, 1986). O crescimento urbano muitas vezes remove a vegetação natural que intercepta, retarda e retorna a chuva ao ar, reduz a quantidade de água que pode se infiltrar no solo, e isso pode aumentar significativamente o volume de água de escoamento superficial (WOODS-BALLARD et al., 2015).
Aliado à falta de planejamento e de infraestrutura, ou mesmo a planejamentos equivocados do processo de urbanização, o sistema convencional de drenagem, tem se mostrado insuficiente e ineficiente não só quanto à questão de controle de enchentes no meio urbano, mas também quanto à qualidade da água, qualidade de vida da população e em relação à sustentabilidade ambiental. Além disso, esse tipo de sistema não considera adequadamente a transferência de risco de inundação para outras áreas ou até mesmo a mitigação das causas de inundação (CAPUTO et al., 2011).
Essa concepção de drenagem urbana tem mudado ao longo dos últimos anos, sendo complementada ou até substituída por conceitos mais recentes, que vão ao encontro de uma abordagem mais sustentável. Nesse sentido, surgiram diversas abordagens sustentáveis da drenagem urbana, que visam o controle do escoamento superficial junto à fonte geradora de escoamento, diminuindo volumes e vazões a valores próximos daqueles antes da urbanização do local (SOUZA, CRUZ e TUCCI, 2012). Para minimizar os problemas inerentes à implantação dos sistemas de drenagem urbana, bem como de sistemas complementares tais como os SuDS, é necessário avaliar o impacto desses sistemas no intuito de propiciar uma melhor concepção dos projetos de ocupação das bacias urbanas.
O uso de modelos hidrológicos e meteorológicos em ambientes computacionais é uma das principais alternativas para compreensão desses
processos, permitindo a predição de eventos futuros, o que torna esses modelos importantes no cotidiano do planejamento do uso e ocupação do solo (BELING et al., 2011). Tais modelos são ferramentas que auxiliam na tomada de decisão na gestão das bacias hidrográficas, porém devemos considerar vários fatores para assumirmos os resultados fornecidos pelo modelo como adequados.
Devido à capacidade de predição dos modelos hidrológicos, eles possibilitam a simulação de cenários com alternativas de controle do escoamento nas bacias hidrográficas. Essa modelagem, aliada a implantação de SuDS, torna-se essencial para a exata disposição das medidas estruturais para controle do escoamento superficial e dos sedimentos. Existem várias abordagens possíveis para a instalação de SuDS, onde dentre os elementos mais utilizados, segundo Woods-Ballard et al. (2015), destacam-se os sistemas de coleta de águas pluviais, telhados verdes, sistemas de infiltração, sistemas de tratamento de propriedades, faixas filtrantes, trincheiras de infiltração, sistemas de biorretenção, valas revestidas com cobertura vegetal (swales), árvores, pavimentos permeáveis, tanques de armazenamento e atenuação, bacias de detenção e lagoas e zonas úmidas.
Nesse contexto, o presente trabalho visa simular e avaliar a implantação de SuDS, em um loteamento urbano no município de Dois Vizinhos – PR utilizando o EPA SWMM.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
O presente trabalho tem como objetivo geral simular a implantação de medidas de drenagem urbana sustentável em um loteamento no munícipio de Dois Vizinhos - PR, e avaliar a efetividade das medidas quanto à redução do escoamento superficial e das vazões de pico.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Caracterizar o loteamento objeto de estudo de caso;
Modelar computacionalmente o loteamento e seu respectivo sistema de drenagem através do software EPA SWMM;
Caracterizar os hidrogramas de saída da rede de microdrenagem da área em diferentes eventos de precipitação, para as condições de pré e pós-ocupação;
Avaliar o impacto da adoção de medidas de drenagem urbana sustentável;
Avaliar os grupos de medidas de drenagem sustentável quanto à efetividade de redução do escoamento superficial e das vazões de pico;
3 REVISÃO DA LITERATURA
O presente capítulo apresenta uma revisão da literatura na qual a presente pesquisa foi fundamentada. Os tópicos abordados passam pelos impactos da urbanização, sistemas tradicionais de drenagem urbana e sistemas de drenagem urbana sustentável (SuDS), com foco na modelagem hidrológica como ferramenta auxiliar de gestão.
3.1 IMPACTOS DA URBANIZAÇÃO
O processo de urbanização altera de forma significativa os processos de escoamento natural da bacia hidrográfica, proporcionando assim o aumento do volume das águas pluviais escoadas superficialmente. Isso ocorre em função da impermeabilização e canalização das redes de drenagem. A parcela de água que antes da urbanização infiltrava no solo ou ficava retida pela vegetação e escoava lentamente pela superfície do solo, passa a escoar pelos condutos. Devido a isso, ocorre o aumento das vazões na rede de drenagem, a diminuição da recarga subterrânea, a degradação da qualidade da água e a geração de sedimentos, entre outros fatores (CANHOLI, 2013; RIGHETTO, MOREIRA e SALES, 2009; VILLANUEVA et. al., 2011).
O ciclo natural da água mantém um balanço da circulação da água através da evaporação, precipitação, infiltração e recarga de água subterrânea, e absorção e transpiração pelas plantas. A urbanização altera a paisagem natural e afeta os processos hidrológicos da bacia, pois reduz a permeabilidade do solo, o substituindo por superfícies impermeáveis, como estradas, telhados, estacionamentos e entre outras. O crescimento urbano muitas vezes remove a vegetação natural que intercepta, retarda e retorna a chuva ao ar, reduz a quantidade de água que pode se infiltrar no solo, e isso pode aumentar significativamente o volume de água de escoamento superficial (WOODS-BALLARD et al., 2015).
As consequências da expansão urbana sem planejamento e regulamentação são sentidas em praticamente todas as cidades de médio e grande porte no país (TUCCI, 1995). No Brasil, frequentemente pode ser observado que a drenagem urbana procura solucionar problemas em áreas parcial ou totalmente urbanizadas, limitando as medidas disponíveis devido a questões legais (quando o direito adquirido evita de transformar o que existe no local), devido a questões sociais (quando os moradores não gostam ou não se adaptam as soluções propostas) ou devido a questões físicas (quando não há locais disponíveis para áreas de infiltração ou armazenamento de água) (VILLANUEVA et al., 2011).
Em face do constante e acelerado desenvolvimento do meio urbano e dos seus impactos, é necessário um maior controle e planejamento da ocupação do solo para um sistema de drenagem eficiente, de maneira a propiciar o desenvolvimento sustentável dos municípios e reduzir os impactos decorrentes da urbanização (ACIOLI et al., 2005).
3.2 SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA
Segundo Marques et al. (2013), os sistemas de drenagem podem ser classificados de acordo com as águas que transportam. Podem ser descritos como sistemas separadores absolutos, unitários, mistos ou pseudo-separadores.
Os sistemas separadores absolutos são constituídos por uma rede de esgoto destinada às águas residuais domésticas e industriais, e uma rede de drenagem de águas pluviais, sem ligação entre as duas redes. Diferentemente disso, como pode ser observado na Figura 1, os sistemas unitários são constituídos por uma única rede de coletores que transporta conjuntamente as águas residuais domésticas, industriais e pluviais.
Os sistemas mistos são compostos por rede constituída pelos dois tipos de sistemas, unitário e separador absoluto. Já os sistemas
pseudo-separadores ocorrem na inexistência de coletores pluviais, onde a ligação de águas pluviais de pátios interiores e terraços ao coletor de águas residuais domésticas é efetuada embora não seja permitida.
Figura 1: Sistemas de esgoto combinados tradicionais e separados Fonte: Brombach, Weiss e Fuchs (2005)
Nenhum sistema de drenagem pode ser considerado o “melhor” sistema quando analisamos a questão da carga de poluição liberada nas águas receptoras. Quando comparados os sistemas separadores absolutos aos unitários, utilizando o critério da carga de poluição, os resultados mostram que o sistema separador absoluto é superior ao unitário apenas para alguns parâmetros, tais como nutrientes, enquanto que para outros parâmetros como, por exemplo, metais pesados e Demanda Química de Oxigênio (DQO), o sistema unitário produz menos cargas totais. Sendo assim, qualquer preferência não crítica do sistema separador absoluto como uma solução particularmente vantajosa é, portanto, questionável. Devido a essa análise, investigações individuais caso a caso são indicadas (BROMBACH, WEISS e FUCHS, 2005).
De acordo com Lima et al. (2013), atualmente os sistemas de drenagem urbana tem como objetivos: a redução de áreas inundadas, a proteção do tráfego rodoviário e pedestre, a redução de gastos com manutenção das vias públicas e áreas adjacentes permeáveis e impermeáveis, o escoamento das águas superficiais, a eliminação de águas estagnadas, o rápido escoamento, a redução da erosão hídrica do solo, permitir o aproveitamento da água pluvial e o aumento da resistência do solo em zonas verdes.
Ao longo do tempo os sistemas de drenagem urbana foram sendo modificados e aprimorados de acordo com as demandas e necessidades de seus ambientes. Essa evolução pode ser caracterizada por três fases, sendo elas, higienista ou convencional, compensatório ou alternativo e de sistemas de baixo impacto ou sistemas de drenagem urbana sustentável (SOUZA, CRUZ e TUCCI, 2012).
3.2.1 Abordagem tradicional da drenagem urbana
Os conceitos tradicionais de drenagem de águas pluviais e águas servidas surgiram no século XIX e são fundamentados na eficiência da drenagem baseada na capacidade de condução do escoamento superficial aos sistemas receptores, tendo como principal objetivo o rápido escoamento das águas das áreas urbanas, através da utilização de meios condutores preferencialmente subterrâneos, com funcionamento via gravidade (BAPTISTA, NASCIMENTO e BARRAUD, 2011).
A adoção desse método visava à preservação da saúde pública, visto que o distanciamento das águas servidas amenizava os problemas derivados da falta de saneamento (SOUZA, CRUZ e TUCCI, 2012). Nesse sentido, por muitos anos foi extremamente positivo para o desenvolvimento das cidades e da sua população a utilização desse sistema de drenagem urbana, baseado nos princípios higienistas, contribuindo de forma positiva para o desenvolvimento e sanidade da população da época.
Segundo Ohnuma Júnior (2008), a grande maioria dos lotes e edificações das áreas urbanas passou a adotar soluções para as questões da drenagem das águas pluviais, fundamentadas nos preceitos do conceito higienista de modo a facilitar o rápido escoamento das águas precipitadas para o mais longe possível de sua área de captação.
De acordo com Pompêo (2000), o sistema de drenagem das águas pluviais, fundamentado nos preceitos do conceito higienista, aumenta o volume do escoamento superficial, amplia consideravelmente o pico de descarga superficial, diminui a recarga subterrânea e a evaporação, e aumenta a duração e frequência de inundações.
A abordagem higienista das águas pluviais basicamente reflete na transferência do problema para áreas de jusante, ocasionando a necessidade de novas obras de ampliação do sistema e com custos normalmente elevados e da falsa sensação de segurança na população com respeito às inundações, resultando em significativos prejuízos para a sociedade (CANHOLI, 2005).
As soluções propostas pelo conceito higienista em muitas vezes conduzem a situações irreversíveis, que limitam outros usos no presente ou no futuro. De acordo com Tucci (1995), existe uma tendência em tentar reduzir os impactos das cheias devido à urbanização canalizando-se os trechos críticos. Contudo, essa é uma solução pontual que segue o conceito higienista e penaliza localidades a jusante com aumento da magnitude e frequência das inundações nesses locais.
3.2.2 Abordagem compensatória da drenagem urbana
A terminologia de técnicas alternativas começou a ser usada no início de 1980 em países de língua francesa, com a finalidade de descrever um novo conceito de drenagem urbana, afastando-se do tradicional padrão de eliminação rápida. O termo "alternativa" foi compreendido no sentido de "não convencional" ou ainda no sentido de "contra" soluções conservadoras. Tais técnicas alternativas foram atribuídas com o objetivo de amenizar os efeitos da
expansão urbana, baseando-se na otimização do uso do espaço urbano. Dessa forma, eles eram também chamados de técnicas compensatórias, uma vez que foram considerados no sentido de compensar os impactos da urbanização (FLETCHER et al., 2014).
Um dos princípios iniciais era que as técnicas compensatórias deveriam manter as mesmas taxas de fluxo que ocorreram sob condições naturais. Portanto, a compensação objetiva reduzir o volume de escoamento, as vazões de pico e, em geral, reduzir a vulnerabilidade das áreas urbanas às inundações e, em menor medida, proteger a qualidade dos ambientes receptores. Dessa forma, o foco principal eram os benefícios humanos, e não nos benefícios do ecossistema. (FLETCHER et al., 2014).
Segundo Baptista, Nascimento e Barraud (2011), as técnicas compensatórias são classificadas de duas formas: não estruturais, as quais se baseiam na legislação, racionalização do uso do solo urbano, educação ambiental e tratamento de fundo de vale, e as técnicas compensatórias estruturais, que se fundamentam na implantação de dispositivos de drenagem com, por exemplo, trincheiras de infiltração, valas, valetas, pavimentos permeáveis, poços de infiltração, bacias de detenção/retenção/infiltração e técnicas adaptadas à área em análise.
As medidas compensatórias garantem a manutenção do tempo de concentração da bacia hidrográfica, a diminuição do volume escoado após a urbanização, o controle das velocidades de escoamento, a manutenção da qualidade da água, a captação e uso para fins não potáveis da água de chuva, entre outros (CANHOLI, 2013).
Visando compensar de forma sistemática os efeitos gerados pela urbanização adotando a bacia hidrográfica como base de estudo, as técnicas compensatórias são consideradas um avanço quando comparadas ao sistema higienista, pois consideram os impactos decorrentes da urbanização de forma global (BAPTISTA, NASCIMENTO e BARRAUD, 2011).
3.2.3 Abordagem sustentável da drenagem urbana
Em um cenário de frequentes inundações e grandes impactos ao desenvolvimento do meio urbano, as soluções da engenharia passaram a considerar projetos de sistemas de drenagem com foco tanto na eficiência quanto na sustentabilidade ambiental.
Diante disso, nasce o conceito de drenagem sustentável e os múltiplos benefícios que ela pode trazer. A filosofia dos sistemas de drenagem sustentáveis consiste em maximizar os benefícios e minimizar os impactos negativos do escoamento superficial de água das áreas afetadas. A abordagem desses sistemas envolve a redução da velocidade e da quantidade de escoamento superficial de água de uma área desenvolvida para gerenciar o risco de enchente a jusante e reduzir o risco de que esse escoamento cause poluição. Isto é possível através da captação, infiltração, atenuação, armazenamento, transporte e tratamento do escoamento no local (WOODS-BALLARD et al., 2015).
Os benefícios para a comunidade com sua utilização são numerosos, incluindo melhorias na saúde, bem-estar e qualidade de vida para indivíduos e comunidades, o que pode aumentar o valor da propriedade e a prosperidade da economia local. Um exemplo disso pode ser observado na Figura 2, a qual exibe um espaço público multifuncional localizado na cidade de Normal, estado de Illinois, nos Estados Unidos, que tem a função principal de rotatória no sistema de trânsito, possuindo em seu interior espaços verdes que abrigam eventos e festivais, mas também foi projetado para coletar o escoamento das ruas adjacentes, infiltrar, armazenar e tratar o escoamento, recirculando a água em uma fonte pública (WOODS-BALLARD et al., 2015).
Figura 2: Sistema de drenagem urbana sustentável integrado ao espaço urbano Fonte: Woods-Ballard et al. (2015)
Esse tipo de drenagem busca atuar no ambiente urbano de maneira que o hidrograma da situação da área urbanizada se assemelhe com o hidrograma natural, ou seja, de pré-ocupação da área, como se pode observar na Figura 3.
Figura 3: Gráfico de hidrograma com condições após a construção da urbanização e após as medidas corretivas
Diferentemente do sistema convencional de drenagem, o qual se realiza a drenagem rápida das águas pluviais através de um sistema enterrado de coletores, a drenagem sustentável busca o controle do escoamento superficial o mais próximo possível do local onde a precipitação atinge o solo. O escoamento é reduzido pela evaporação e evapotranspiração, infiltração do excesso de água no subsolo e pelo armazenamento temporário, viabilizando o reaproveitamento da água ou a sua liberação gradual.
Os comportamentos sustentáveis para a drenagem urbana visam agregar valor ao ambiente construído, gerando um quadro participativo, onde a população desempenha um importante papel. Dessa forma, a adoção de medidas que diminuam as consequências da urbanização no ciclo hidrológico, torna-se um importante ponto a ser considerado na elaboração de projetos de sistemas de drenagem quando utilizadas em diferentes escalas espaciais, envolvendo diversas áreas do conhecimento (BAPTISTA, NASCIMENTO e BARRAUD, 2011).
Pode-se dizer que a abordagem da drenagem urbana sofreu mudanças significativas ao longo das últimas décadas, passando de uma abordagem amplamente focada na mitigação de inundações e proteção da saúde para uma em que uma ampla gama de considerações ambientais, sanitárias, sociais e econômicas é levada em consideração. Segundo Fletcher et al. (2014), esse conceito desenvolveu e adotou novos termos e particularidades para descrever essas novas abordagens, onde se destacam as seguintes:
Low Impact Development (LID) e Low Impact Urban Design and Development (LIUDD);
Water Sensitive Urban Design (WSUD); Integrated urban water management (IUWM); Best management practices (BMPs);
Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS) or Sustainable Drainage Systems (SuDS);
Stormwater Control Measures (SCMs);
Alternative Techniques (ATs) or Compensatory Techniques (CTs);
Source Control; Green Infrastructure;
Stormwater Quality Improvement Devices (SQIDs);
No Sistema de Drenagem Urbana Sustentável (SuDS), os princípios de desenvolvimento sustentável estão incorporados na etapa de projeto do sistema de drenagem, dessa forma, os impactos sobre a bacia serão minimizados no tempo e/ou espaço. Além disso, esses sistemas de drenagem podem ser desenvolvidos para promover a melhoria do ambiente construído, assim como melhorar o desenho urbano e a gestão de riscos ambientais. Baseados nesse conceito, os projetos visam diminuir os escoamentos superficiais, através de estruturas de controle da água pluvial, fazendo com que seu controle seja realizado na fonte e possa diminuir a necessidade de grandes estruturas de atenuação e controle das cheias dos rios (REZENDE, 2010).
O princípio fundamental da concepção SuDS é que o escoamento das águas superficiais deve ser gerenciado para o máximo benefício. Os tipos de benefícios que podem ser alcançados pelo SuDS dependerão do local, mas se encaixam amplamente em quatro categorias: quantidade de água, qualidade da água, amenidades e biodiversidade, conforme pode ser observado na Figura 4.
De acordo com Cerqueira (2012), os SuDS são tecnicamente mais eficientes no decorrer do tempo que os métodos convencionais de drenagem, se adequadamente concebidos, construídos e mantidos, pois tem a capacidade de reduzir muitos dos efeitos negativos sobre o ambiente, através dos seguintes efeitos de sua utilização:
Redução do volume de água da chuva nas redes de drenagem em sistemas unitários, consequentemente, diminuindo as descargas de águas poluídas nos cursos d’água através de dispositivo by-pass.
Criação, em áreas urbanas, de habitats para a vida selvagem e oportunidades para o aumento da biodiversidade.
Preservação da qualidade do corpo receptor através da redução das concentrações de poluentes nas águas pluviais.
Redução dos volumes suplementares de escoamento, que tendem a ser aumentados como resultado da urbanização, potencializando o risco de degradação da qualidade da água e inundação.
Melhoramento dos processos de recarga das águas subterrâneas para diminuir os impactos sobre os aquíferos e a vazão de base do rio na bacia receptora;
Melhoria do valor ambiental e estético em áreas urbanas consolidadas;
Figura 4: Concepção geral dos SuDS Fonte: Woods-Ballard et al. (2015)
3.2.4 Medidas estruturais em drenagem urbana sustentável
Existem várias abordagens possíveis para a instalação de SuDS. As medidas a serem utilizadas numa determinada zona estão condicionados ao objetivo a ser atingido, as características do local, ao tipo de construção existente, a legislação em vigor, as propriedades do solo, entre outras condicionantes. Os elementos mais utilizados, segundo Woods-Ballard et al. (2015), são os sistemas de coleta de águas pluviais, telhados verdes, sistemas de infiltração, sistemas de tratamento de propriedades, faixas filtrantes, trincheiras de infiltração, sistemas de biorretenção, valas revestidas com cobertura vegetal (swales), árvores, pavimentos permeáveis, tanques de armazenamento e atenuação, bacias de detenção e lagoas e zonas húmidas.
Dentre os diversos tipos de SuDS citados acima, serão abordados com mais relevância os microrreservatórios de detenção, as bacias de detenção e as trincheiras de infiltração, os quais serão utilizados posteriormente no desenvolvimento do trabalho.
3.2.4.1 Microrreservatórios de detenção
Os microrreservatórios de detenção podem ser utilizados como medidas de controle na fonte, integrados às instalações de águas pluviais no lote. Podem ser superficiais ou enterrados, dependendo das limitações físicas às quais as cotas de descarga e rede pluvial estão sujeitas, tendo como funcionamento ideal o escoamento através de conduto livre, por gravidade.
Como pode ser observado na Figura 5, seu princípio de funcionamento consiste em receber o escoamento gerado no lote e promover seu armazenamento temporário, controlando seus valores de descarga através da utilização de dispositivos como orifícios e vertedores, para enfim direcioná-lo à rede de drenagem.
Figura 5: Corte esquemático de um microrreservatórios de detenção Fonte: Tominaga (2013)
Na Figura 6 podemos observar um microresservatório de detenção superficial instalado em uma edificação residencial.
Figura 6: Microrreservatório de detenção residencial Fonte: Canholi (2013)
3.2.4.2 Bacias de detenção
Segundo Matias (2006), a bacia de detenção tem como principal função armazenar água proveniente da chuva, atuando como reguladora de vazões de pico da mesma, isto porque permite a restituição das vazões a jusante consoante os limites da rede existente. Esta funcionalidade permite, para situações onde a vazão máxima admitida pela rede é ultrapassada, escoar vazões mais baixas durante um maior período de tempo, reduzindo assim o risco de inundações.
Elas podem atuar interligadas ao sistema, onde o escoamento superficial de eventos regulares é encaminhado através da rede de drenagem e quando os fluxos sobem, porque a saída é restrita, a bacia fornece o armazenamento do escoamento e atenuação do fluxo. Também podem atuar como componentes auxiliares ao sistema regular e são acionadas apenas quando os fluxos atingem um limite específico (WOODS-BALLARD et al., 2015).
As bacias de detenção podem ser depressões projetadas, ajardinadas com vegetação, como pode ser observado na Figura 7. Nos locais onde a bacia é vegetada, onde a superfície do solo pode absorver algum escoamento, ela pode ser utilizada para auxiliar na prevenção do escoamento local para pequenos eventos de chuva, desde que pequenas quantidades de infiltração não representem risco para a água subterrânea (WOODS-BALLARD et al., 2015).
As bacias de detenção que atuam como componentes auxiliares ao sistema de drenagem poderão ter um uso alternativo, como uma comodidade ou instalação recreativa. Um exemplo desse tipo de utilização pode ser observado na Figura 8.
Figura 7: Bacia de detenção ajardinada com design de paisagem Fonte: Woods-Ballard et al. (2015)
Figura 8: Bacia de detenção com uso alternativo de recreação Fonte: Woods-Ballard et al. (2015)
3.2.4.3 Trincheiras de infiltração
As trincheiras de infiltração são dispositivos de desenvolvimento longitudinal, com pouca profundidade (em média de um metro) e que se destinam a recolher águas pluviais perpendicularmente ao seu sentido. A água captada é posteriormente infiltrada no solo, retida na trincheira ou transportada até um ponto de destino final. Tem o funcionamento de reservatórios convencionais de amortecimento de vazões de pico, pois promovem o armazenamento temporário das águas pluviais e favorecerem a infiltração, assim, contribuem significativamente para a redução do escoamento superficial e do risco de inundação (POLETO; PEITER, 2012).
Como podemos observar na Figura 9, as trincheiras de infiltração são preenchidas total ou parcialmente com material granular, como brita, seixo, cascalho ou blocos de drenagem. O material deverá estar envolvido em manta geotêxtil para impedir a migração de materiais finos e/ou detritos para o seu interior e evitar a contaminação do solo. Porém, a função principal da manta geotêxtil é evitar a colmatação da estrutura, funcionando como um filtro, aumentando a vida útil do dispositivo, evitando a perda de permeabilidade e a redução da eficiência do sistema de drenagem.
A entrada da água na trincheira pode realizar–se de duas formas: alimentação pontual (uma rede ligada à trincheira) ou alimentação direta (diretamente pela superfície). No caso de alimentação pontual, as trincheiras deverão possuir um tubo perfurado, no topo, para melhor distribuição das águas pluviais em toda a sua extensão. Para a situação em que a alimentação é realizada lateralmente, não é necessária a utilização do tubo perfurado, no entanto, deve prever-se a instalação de uma descarga de superfície no topo de jusante para gerir situações de sobrecarga.
As trincheiras de infiltração podem ajudar a reduzir os níveis de poluentes no escoamento, filtrando sedimentos finos, metais, hidrocarbonetos e outros poluentes. Eles também podem incentivar processos de adsorção e biodegradação (WOODS-BALLARD et al., 2015).
A aplicação desse dispositivo é diversa, podendo ser utilizado em parques de estacionamento, estradas e autoestradas, áreas residenciais, comerciais, industriais, entre outros.
Figura 9: Trincheira de infiltração Fonte: Canholi (2013)
3.3 MODELAGEM COMPUTACIONAL COMO FERRAMENTA AUXILIAR AO DIMENSIONAMENTO DE REDES DE DRENAGEM
Ferramentas de software têm sido utilizadas para o gerenciamento de recursos hídricos desde meados da década de 1960 e as ferramentas de modelagem que têm a capacidade de simular a qualidade e a quantidade de escoamento de águas pluviais começaram a surgir a partir da década de 1970 (ZOPPOU, 2001).
Atualmente, existe uma série de ferramentas de modelagem que incorporam métodos sustentáveis de gerenciamento de águas pluviais, as quais estão comercialmente disponíveis e são usadas pelos pesquisadores (ZOPPOU, 2001). Dentre a diversa gama de ferramentas disponíveis, destacam-se uma seleção de dez ferramentas de modelagem mais recentes e
populares, a qual se baseou em sua acessibilidade e disponibilidade de versões atualizadas de software, conforme pode ser observado na Tabela 1.
Tabela 1: Ferramentas de modelagem para o gerenciamento de recursos hídricos
Ferramentas de
Modelagem Instituição Disponibilidade Uso pretendido na modelagem
RECARGA University of Wisconsin- Madison, water resources Group http://dnr.wi.gov/topic/storm water/standards/ recarga.html
Conceber e compreender desempenhos de biorretenção, bacias de infiltração e jardins
de chuva Program for Predicting
Polluting Particle Passage through Pits, Puddles,
and Ponds (P8 Urban Catchment Model) William W. Walker, Jr., Ph.D., Environmental Engineer, Massachusetts http://www.wwwalker.net/p8/
Prever a geração e transporte de poluentes no escoamento urbano e projetar os métodos sustentáveis para alcançar a redução total de sólidos em suspensão EPA Stormwater Management Model (SWMM) United States Environmental Protection Agency http://www.epa.gov/nrmrl/ws wrd/wq/models/ swmm/
Planejar, projetar e analisar os desempenhos de diferentes métodos sustentáveis, na melhoria da qualidade do
escoamento e na redução da quantidade Water Environment
Research Foundation (WERF) BMP and LID whole life cycle cost
modeling tools Water Environment Research Foundation, Alexandria http://www.werf.org/i/a/Ka/S earch/ ResearchProfile.aspx?Repor tId=SW2R08
Avaliar o custo total do ciclo de vida para práticas dos métodos sustentáveis
The Green Infrastructure Valuation Toolkit Natural Economy North West UK http://www.greeninfrastructur enw.co.uk/html/ index.php?page=projects&G reenInfrastructure ValuationToolkit=true
Avaliar o benefício ambiental e econômico dos métodos sustentáveis em termos
monetários Centre for Neighborhood
Technology (CNT) Green Values National Stormwater Management Calculator Center For Neighborhood Technology, Chicago http://greenvalues.cnt.org/na tional/calculator.php
Para comparar custo, desempenho e benefícios dos métodos sustentáveis
EPA System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration Model
(SUSTAIN) United States Environmental Protection Agency http://www.epa.gov/nrmrl/ws wrd/wq/models/sustain/
Desenvolver planos de implementação para o controle de fluxo e poluição e avaliar a eficácia do custo dos métodos sustentáveis Model for Urban
Stormwater Improvement Conceptualization (MUSIC) eWater, Australia http://www.ewater.com.au/pr oducts/ewatertoolkit/ urban-tools/music/
Avaliar as práticas dos métodos sustentáveis para alcançar a redução da quantidade de águas pluviais, melhoria da
qualidade e relação custo-eficácia Low-Impact Development Rapid Assessment (LIDRA) eDesign Dynamics, New York http://www.lidratool.org/data
base/database.aspx Estudar reduções de custo de escoamento com métodos sustentáveis
Source Loading and Management Model for Windows (WinSLAMM)
PVand Associates, USA
http://winslamm.com/winsla mm_updates.html
Estudar a qualidade do escoamento urbano e o papel dos métodos sustentáveis na
melhoria da qualidade do escoamento Fonte: Jayasooriya e Ng (2014)
Essas ferramentas variam de simples modelos de planilhas a ferramentas complexas de modelagem de bacias hidrográficas. RECARGA, P8, SWMM, MUSIC, SUSTAIN e WinSLAMM, suportam a simulação contínua que fornece resultados mais precisos na modelagem de desempenho de escoamento. Ao analisar os diferentes aspectos que essas ferramentas podem abordar, em particular, a partir de um objetivo de gerenciamento de águas pluviais, o SWMM, em comparação com outros, pode ser usado em projetos de grande escala, mais complexos, incluindo um projeto detalhado de drenagem urbana sustentável. Ao comparar a precisão, os algoritmos e as escalas, o SWMM tende a ser uma das ferramentas mais sofisticadas na modelagem da qualidade, quantidade e desempenho dos métodos sustentáveis de gerenciamento de águas pluviais. (JAYASOORIYA; NG, 2014).
3.3.1 SWMM - storm water management model
O SWMM é um modelo de gerenciamento de águas pluviais, desenvolvido e mantido pela Agência de Proteção ao Meio Ambiente dos Estados Unidos (EPA - Environmental Protection Agency) e utilizado na análise e concepção de projetos de escoamentos de águas pluviais em áreas urbanas. É classificado como um modelo de base física, que emprega os princípios de conservação de massa, energia e momento. Simula os fenômenos hidráulicos e hidrológicos com modelo chuva-vazão para um único evento ou em séries continuas de chuva, fornecendo resultados relativos à quantidade e qualidade das águas do escoamento gerado, a partir do sistema de galerias para a previsão de vazões, pontos de inundação e de poluentes (US EPA, 2010).
O software trabalha com simulações de hidráulica, hidrologia e do transporte das substâncias que interferem na qualidade da água no sistema de drenagem. Possui quatro módulos principais: superfície terrestres (escoamento e infiltração), transporte de fluxo (canais, condutos, entre outros), atmosférico (precipitação e deposição de poluentes) e águas subterrâneas (fluxo de base) (ROSSMAN, 2010).
3.3.1.1 Modelo chuva-vazão
O módulo de escoamento fornece os hidrogramas a partir dos dados da precipitação e de um conjunto de parâmetros, que descrevem fisicamente e hidrologicamente a bacia hidrográfica, e geram as saídas que podem ser sob a forma de escoamento superficial, evaporação ou infiltração, como pode ser observado na Figura 10. Nas simulações, a bacia é dividida em sub-bacias com características uniformes, modeladas como reservatórios não-lineares, onde cada sub-bacia é dividida em áreas impermeáveis e permeáveis, com um valor máximo de armazenamento. Quando a profundidade da água do reservatório é maior do que o valor máximo do armazenamento ocorre o escoamento superficial (ROSSMAN, 2010).
Figura 10. Geração do escoamento no modelo SWMM Fonte: (Rossman, 2010)
O módulo de infiltração nas áreas permeáveis pode ser calculado pelo método Green-Ampt, pela equação de Horton, ou pelo método SCS. O método SCS é uma aproximação adotada pelo CN (Curva-Número) do National Resources Conservation Service (NRCS) para estimativa do escoamento superficial (ROSSMAN, 2010). As Equações 1, 2 e 3 demonstram esse método, onde seus dados principais para o cálculo da vazão resumem-se na precipitação e no CN, que é determinado pelo uso e ocupação do solo considerado e a sua capacidade total de infiltração, cujos valores são tabelados na literatura e podem ser observados nos Quadros 1 e 2 do Apêndice A.
Equação 1 Equação 2 Equação 3
3.3.1.2 Modelos de transporte hidráulico
Os resultados do módulo de escoamento são utilizados como parâmetros de entrada nos modelos de transporte, onde o sistema de drenagem é simulado. O SWMM pode ser utilizar três modelos de transporte hidráulico diferentes: fluxo em regime uniforme, onda cinemática e onda dinâmica.
O escoamento em regime uniforme não realiza a propagação de vazões, não leva em consideração o efeito de armazenamento da água que se produz nos condutos, nem ressaltos hidráulicos, nem perdas na entrada e na saída, nem efeitos de remanso ou fluxo pressurizado, simplesmente, nesse modelo, o hidrograma de entrada em um nó de montante é transferido para o nó a jusante do conduto, sem atraso ou mudança de forma (US EPA, 2010).
O modelo da onda cinemática permite que a vazão e a área variem no espaço e no tempo no interior do conduto, o que pode resultar em amortecimento e defasagem nos hidrogramas de saída com respeito aos hidrogramas de entrada nos condutos (US EPA, 2010). Esse modelo utiliza a equação da continuidade e uma versão simplificada da equação de quantidade de movimento em cada um dos condutos, onde a simplificação de que a declividade da superfície livre da água seja igual a declividade do fundo do conduto, conforme pode ser observado nas Equações 4 e 5.
Equação 4 Equação 5
O modelo da onda dinâmica resolve as equações completas unidimensionais de Saint - Venant conforme pode ser observado na Equação 6. Esse modelo admite o armazenamento nos condutos, o ressalto hidráulico, as perdas nas entradas e saídas do conduto, o remanso e o fluxo pressurizado. É possível representar o fluxo pressurizado quando um conduto fechado encontra-se completamente cheio, de forma que a vazão que circula pelo mesmo pode ultrapassar o valor de vazão do tubo completamente cheio, obtido pela equação de Manning. Considerando que o modelo calcula, de forma simultânea, os valores dos níveis de água nos nós e as vazões nos condutos, ele pode ser aplicado para qualquer tipo de traçado da rede de drenagem, mesmo aqueles que contem nós com múltiplas divisões de fluxo a jusante ou as redes malhadas (US EPA, 2010).
( ) Equação 6 3.3.1.3 SuDS no EPA SWWM
Na versão 5.1 do EPA SWMM, a qual foi utilizada no presente trabalho, algoritmos específicos foram incorporados para simular os processos envolvidos no funcionamento dos SuDS ou LIDs (Low Impact Developments), dispositivos de baixo impacto, conforme denominação adotada pelos desenvolvedores. O modelo é capaz de modelar os processos de cinco tipos de medidas de controle na fonte, a saber: células de biorretenção (jardins de chuva, telhados verdes, etc.), trincheiras de infiltração, pavimentos porosos, barris de chuva (cisternas ou microrreservatórios) e valas vegetadas.
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 ÁREA DE ESTUDO
O estudo de caso foi realizado em um loteamento peri-urbano, localizado no bairro São Francisco Xavier, na cidade de Dois Vizinhos – PR, como pode ser observado na Figura 11. A área total do loteamento é de 26.079,79 m², da qual 20.617,28 m² corresponde a área de lotes e 5.462,51 m² corresponde a área das vias públicas.
Figura 11: Loteamento Xavier – Município de Dois Vizinhos – PR Fonte: Imagens do Google Maps
Essa área foi selecionada pela disponibilidade de informações da rede de drenagem urbana. Além disso, a área é relativamente pequena, o que possibilitou uma análise individualizada de cada sub-bacia gerada, melhorando suas descrições e o entendimento de seus comportamentos. Outro fator importante foi a presença de um único exutório da rede de drenagem,
permitindo a análise das vazões do escoamento superficial em um único ponto, reduzindo custos e aumentando a precisão do acompanhamento.
De acordo com o Grupo de Estudos em Biometeorologia – GEBIOMET da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR – Campus Dois Vizinhos, o município de Dois Vizinhos está localizado em uma região subtropical úmida cujo clima, segundo a classificação de Köppen, é o Cfa (C - subtropical úmido, com mês mais frio entre 18 e -3 ºC; f - sempre úmido, com chuva em todos os meses do ano; a - verão quente, com temperatura do mês mais quente superior a 22 ºC) (ALVARES et al., 2013).
Se tratando de dados pluviométricos, analisando uma série histórica de 2007 a 2016, como demostrado na Figura 12, os meses de agosto e setembro se configuram como os de menor precipitação, por outro lado, o mês de outubro, com uma média superior a 200 mm, se destaca como o mês mais chuvoso.
Na Figura 13 observa-se a distribuição dos lotes e a disposição das ruas do loteamento, além das áreas de reserva legal e de preservação permanente, e na Figura 14 pode ser observado o loteamento com sua infraestrutura instalada antes de sua ocupação através de uma imagem aérea.
Figura 12: Precipitação entre 2007 e 2016 no município de Dois Vizinhos - PR Fonte: GEBIOMET
Figura 13: Mapa de lotes do Loteamento Xavier Fonte: Acervo do autor
Figura 14: Vista aérea do Loteamento Xavier em 07/06/2017
Fonte: http://nortesulempreendimentos.com.br/imovel/venda/loteamento/dois-vizinhos-pr/sao-francisco-xavier/loteamento-xavier/108572#detalhes
Pode ser observado na Figura 15, a disposição do sistema de drenagem do loteamento. O sistema é composto por 22 bocas de lobo simples, 3 caixas de passagem, tubulação de concreto com diâmetro variando entre 400 a 800 milímetros, perfazendo uma extensão total de rede de 719 metros, os quais captam a água pluvial e conduzem para um único ponto de descarga, onde está construído o dissipador de energia. Além disso, podemos observar nessa mesma imagem, o levantamento planialtimétrico da área em estudo, composto pelas curvas mestras destacadas em vermelho e em entre elas, as curvas auxiliares, com cotas variando entre 504 e 463 metros.
Figura 15: Mapa da rede de drenagem e levantamento planialtimétrico do Loteamento Xavier Fonte: Acervo do autor
4.2 ENTRADA DE DADOS NO EPA SWMM
As áreas do loteamento foram desenhadas no EPA SWMM de acordo com os projetos de pavimentação e uso e ocupação do solo. O lançamento do sistema de drenagem baseou-se nos projetos de drenagem. As informações referentes a entrada de dados no EPA SWMM estão contidas no material suplementar. As áreas destinadas às calçadas no projeto do loteamento para o lançamento no EPA SWMM foram incorporadas ás áreas dos respectivos lotes, visando à redução do número sub-bacias.
Dentre as opções de configuração foram escolhidos os modelos de processos físicos de Chuva/Vazão e Propagação de Fluxos. Já o método de infiltração adotado para a análise deste estudo foi o SCS, devido a facilidade na aquisição dos dados, que utiliza o CN como parâmetro principal. Para o modelo de transporte foi utilizado a Onda Dinâmica.
O loteamento em estudo foi subdividido em sub-bacias com características de lotes e sub-bacias com características de ruas. Para as ligações entre as sub-bacias e seus respectivos exutórios, observou-se “in loco” o comportamento de cada sub-bacia. Através dessa análise, verificou-se que as sub-bacias dos lotes, por ainda não terem recebido movimentações de terra, possuem as características topográficas da situação de pré-urbanização, dessa forma, o escoamento superficial dessas áreas é direcionado para fora do sistema de drenagem, como pode ser observado na Figura 16.
Sendo assim, determinou-se a topologia do sistema de drenagem, bem como suas áreas de contribuição, as quais podem ser observada na Figura 17.
Durante o período de análise das precipitações e vazões correspondentes do loteamento (outubro e novembro de 2018), algumas poucas edificações começaram a ser executadas, porém não modificaram o cenário observado citado anteriormente.
Figura 16: Demonstrativo do escoamento superficial das sub-bacias dos lotes
Fonte: Acervo do autor
Figura 17: Topologia do sistema de drenagem e áreas de contribuição Fonte: Acervo do autor
4.3 AQUISIÇÃO DE DADOS DE PRECIPITAÇÃO E DE VAZÃO
Os dados de precipitação foram obtidos usando um pluviômetro instalado no local, conforme Figura 18 onde a leitura foi realizada durante o evento chuvoso, em intervalos de cinco minutos.
A calha parshall, conforme demonstrado na Figura 19, foi instalada no exutório da rede de drenagem, para a leitura das vazões de escoamento. O material da calha é de fibra de vidro, sua dimensão de garganta é 6” e demais dimensões estão de acordo com a Norma NBR/ISO 9826, correspondente a essa dimensão de garganta da calha. As leituras dos dados das vazões de escoamento ocorreram simultaneamente à leitura dos dados de precipitação. O monitoramento foi realizado em três eventos chuvosos, nos dias 18 e 25 de outubro de 2018 e no dia 3 de novembro de 2018. Os dados das precipitações e vazões correspondentes encontram-se no Apêndice B.
Figura 18: Pluviômetro utilizado no estudo
Figura 19: Calha Parshall utilizada no estudo Fonte: Acervo do autor
A tubulação de saída da rede de drenagem é de 800 mm, dessa forma foi construído um canal em madeira impermeabilizada para adaptar a entrada da calha parshall que é de 400 mm, como pode ser observado na Figura 20. Além disso, foram construídos dissipadores de energia dentro do canal, compostos por rochas e telas metálicas, como pode ser observado na Figura 21, os quais reduziram satisfatoriamente a turbulência da água, possibilitando as leituras das vazões correspondentes na calha parshall.
Figura 20: Exutório da rede de drenagem vista lateral Fonte: Acervo do autor
Figura 21: Exutório da rede de drenagem vista a jusante (a) e a montante (b). Fonte: Acervo do autor
4.4 CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DO MODELO
A calibração do modelo foi realizada manualmente, sem utilização de algoritmos de otimização. Os parâmetros utilizados foram o percentual impermeável e os valores de CN (Curva Número) das sub-bacias, e se basearam nos dados de vazão e precipitação medidas em três eventos de chuva mencionados anteriormente.
Para a configuração dos valores de CN o solo foi caracterizado com tipo C, conforme Quadro 1 do Apêndice A. As sub-bacias que correspondem aos lotes foram definidas inicialmente conforme o Quadro 2 do Apêndice A, como “baldios em boas condições”, onde aliado as características do solo, conforme definido anteriormente como grupo C, chega-se a um valor de CN igual a 74. As sub-bacias que correspondem às ruas do loteamento foram definidas incialmente de acordo com o Quadro 2, como “arruamentos e estradas do tipo paralelepípedos”, onde aliado as características do solo, conforme definido anteriormente como grupo C, resulta em um valor de CN igual a 89.
No entanto, ao se avaliar “in loco” o estado de conservação do pavimento de paralelepípedos, conforme poder ser observado na Figura 22, se reduziu o valor do parâmetro CN para 85 como uma opção de simulação, a qual melhor caracteriza o pavimento em análise.
O outro parâmetro que sofreu variação nas simulações foi o percentual impermeável, onde conforme o Quadro 3 do Apêndice A, para as condições apresentadas (pavimentações de blocos inferiores sem as juntas tomadas), as quais podem ser vistas na Figura 23, o valor do percentual impermeável varia entre 40 e 50%. Dessa forma, foram adotadas as opções de 40 e 50% para o percentual impermeável nas simulações do modelo.
Figura 22: Estado de conservação do pavimento poliédrico do loteamento Fonte: Acervo do autor
Portanto, quatro simulações com características distintas foram realizadas, variando os parâmetros citados conforme Figura 23.
Figura 23: Diagrama das simulações realizadas para o evento 3 de precitação Fonte: Acervo do autor
Dos três eventos de precipitação observados, os dados do evento 3 foram utilizados para calibração do modelo. Após a calibração, se utilizou os eventos de chuva 1 e 2 para a validação do modelo.
4.5 PERFORMANCE DO MODELO
A performance do modelo foi avaliada pelo coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS), o erro médio quadrático (RMSE) e o erro médio absoluto (MAE) (Nash e Sutcliffe 1970; Krause et al. 2005, Muleta et al., 2012).
O RMSE corresponde a raiz quadrada do erro médio dividida pelo número de dados comparados, conforme expresso na Equação 7, o valor do MAE representa o desvio médio entre observado e simulados, conforme pode ser observado na Equação 8. O coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS), bastante utilizado avaliação de estudos hidrológicos, está expresso na Equação 9, onde valores mais próximos de 1, refletem uma melhor coerência entre os dados.
√ ∑ Equação 7 ∑ | | Equação 8 ∑ ∑ ̅ Equação 9 ̅
4.6 SIMULAÇÃO DO MODELO DE PÓS-OCUPAÇÃO
Após a calibração e validação do modelo de pré-ocupação, realizou-se a simulação com as configurações de pós-ocupação. Contudo, como abordado anteriormente, o modelo de pré-ocupação possui as sub-bacias de lotes desconectadas do sistema de drenagem. Dessa forma, antes de se criar a situação de pós-ocupação, se fez necessário à realização da simulação de um novo cenário, corresponde à situação de pré-ocupação com as sub-bacias dos lotes conectadas ao sistema, conforme pode ser observado na Figura 24, pois somente dessa maneira os efeitos da urbanização poderão ser percebidos no exutório da rede de drenagem. As configurações dessa simulação estão contidas no Apêndice E.
Figura 24: Situação de pré-ocupação com as sub-bacias dos lotes conectadas ao sistema Fonte: Acervo do autor
Após a criação desse novo cenário, pode-se então simular a situação de pós-ocupação. Nessa simulação, alguns parâmetros de configuração das sub-bacias dos lotes sofreram alterações. Dentre os mais relevantes podemos citar a declividade do terreno, a qual reduziu de 15% para 0,5%, considerando os lotes já terraplanados.
O valor de CN foi modificado. Para nova definição desse parâmetro, o lotes foram caracterizados de acordo com o Quadro 2 do Apêndice A, como localizados em zonas residências, com área inferior a 500 m² e média impermeável aproximada de 65%, e aliado às características do solo, conforme definido anteriormente pelo Quadro 1 do Apêndice A como grupo C, chega-se a um valor de CN igual a 90, substituindo os 74, utilizado na configurações de pré-ocupação.
Outra alteração importante ocorreu no percentual impermeável, onde de acordo com a legislação do Município de Dois Vizinhos, que dispõe sobre o uso e a ocupação do solo do perímetro urbano, a zona residencial a qual pertence o loteamento em estudo, determina uma taxa de ocupação máxima de 70%. Dessa forma, acrescentando a área das calçadas nas áreas impermeáveis dos lotes, o percentual impermeável variou de 70 a 72%, de acordo com a área e a testada dos lotes. Os valores dos percentuais impermeáveis de cada sub-bacia, bem como as suas demais configurações, estão contidas no Apêndice F.
4.7 IMPLANTAÇÃO SIMULADA DE DISPOSITIVOS DE SUDS
Após o modelo computacional ser devidamente calibrado, validado e ter seus parâmetros de configuração definidos, realizou-se a implantação dos SuDS para a situação de pós-ocupação. Os dispositivos escolhidos para realização das simulações foram os microrreservatórios de detenção (MD), bacia de detenção (BD) e trincheiras de infiltração (TI).
Os microrreservatórios de detenção e as trincheiras de infiltração foram implantados em cada sub-bacia de lote, e a bacia de detenção foi implantada entre a última caixa de passagem e o exutório da rede de drenagem. O dimensionamento dos dispositivos foi realizado com auxílio do software, onde foram simuladas diversas opções de configurações, sempre observando a capacidade de detenção e/ou infiltração, buscando as dimensões dos dispositivos dentre as máximas viáveis e evitando seu extravasamento, controlando as dimensões dos orifícios de saída. As configurações dimensionamento escolhidas estão contidas no Apêndice G.
Com o objetivo de se aprimorar as simulações do modelo em relação à redução do escoamento superficial e as vazões de pico, através da utilização dos SuDS, realizou-se a combinação de mais de um dispositivo em uma mesma simulação. Sendo assim, foram simuladas a situações de pós-ocupação com a combinação dos dispositivos do tipo trincheiras de infiltração e bacia de detenção (PÓS-OCUPAÇÃO + TI + BD), a combinação dos dispositivos do tipo trincheiras de infiltração e microrreservatórios de detenção (PÓS-OCUPAÇÃO + TI + MD) e a combinação dos dispositivos bacia de detenção e microrreservatórios de detenção (PÓS-OCUPAÇÃO + BD + MD). Outra simulação realizada foi a combinação da situação de pós-ocupação com os três dispositivos SuDS já citados (PÓS-OCUPAÇÃO + TI + BD + MD).
