WANDERLEY DE CARVALHO FIGUEIREDO ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE RESERVATÓRIOS DE DETENÇÃO NA CONTENÇÃO DE ALAGAMENTOS NA CIDADE DE NATAL

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WANDERLEY DE CARVALHO FIGUEIREDO

ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE RESERVATÓRIOS DE DETENÇÃO NA CONTENÇÃO DE ALAGAMENTOS NA

CIDADE DE NATAL

NATAL-RN 2017

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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Wanderley de Carvalho Figueiredo

Análise da eficiência de reservatórios de detenção na contenção de alagamentos na cidade de Natal

Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade Artigo Científico, submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Civil.

Orientadora: Profa. Dra. Joana Darc Freire de Medeiros

Natal-RN

2017

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Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede Mamede

Figueiredo, Wanderley de Carvalho.

Análise da eficiência de reservatórios de detenção na contenção de alagamentos na cidade de Natal / Wanderley de Carvalho Figueiredo. - 2017.

18 f.: il.

Artigo científico (Graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Departamento de

Engenharia Civil. Natal, RN, 2017.

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Joana Darc Freire de Medeiros.

1. Drenagem urbana - TCC. 2. Reservatórios de detenção - TCC. 3. Eficiência - TCC. I. Medeiros, Joana Darc Freire de.

II. Título.

RN/UF/BCZM CDU 626.862.4. Mariz Medeiros.

CDU 626.21

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Wanderley de Carvalho Figueiredo

Análise da eficiência de reservatórios de detenção na contenção de alagamentos na cidade de Natal

Trabalho de conclusão de curso na modalidade Artigo Científico, submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.

Aprovado em 08 de Junho de 2017:

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Profa. Dra. Joana Darc Freire de Madeiros – Orientadora

___________________________________________________

Profa. Dra. Adelena Gonçalves Maia – Examinadora interna

___________________________________________________

Eng. Diogo Alexandre Mendonça de Oliveira – Examinador externo

Natal-RN

2017

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ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE RESERVATÓRIOS DE DETENÇÃO NA CONTENÇÃO DE ALAGAMENTOS NA CIDADE DE NATAL

RESUMO

O desenvolvimento das cidades juntamente com o uso inadequado do solo tem agravado os problemas relacionados à drenagem urbana. No intuito de contornar essa situação, ao longo do tempo foram desenvolvidas diversas técnicas, dentre elas a utilização de reservatórios de detenção e infiltração das águas pluviais. Este trabalho objetiva avaliar a eficiência destes dispositivos na cidade de Natal – RN e observar os seus comportamentos na contenção dos alagamentos na cidade. Para entender o funcionamento deste tipo de dispositivo ao longo dos últimos anos, foi necessário utilizar uma modelagem na qual simule o seu comportamento de acordo com as precipitações históricas e com as condições de uso, operação e manutenção. Nesta análise foi utilizada a equação do balanço hídrico, juntamente com a transformação das precipitações utilizando o modelo SCS (Soil Conservation Service), para quatro reservatórios da cidade. Foi visto que as eficiências dos reservatórios ficaram entre 91,76% e 99,39% em um cenário de operação e manutenção adequadas. Além disso, foram vistas as relações das eficiências dos reservatórios com os sistemas de recalque e com a colmatação das paredes e fundo, sendo observado que a ausência de bombeamento causa uma redução de até 29.95% da eficiência dos reservatórios e que a colmatação não causa perda significativa de eficiência, porém ocasiona volumes transbordados até 70,72% maiores. Assim foi observado que os reservatórios de detenção e infiltração têm uma melhor eficiência quanto melhores forem as suas condições de conservação e uso.

Palavras-chave: drenagem urbana, reservatórios de detenção, eficiência

EFFICIENCY ANALYSIS OF DETENTION RESERVOIRS IN FLOODS CONTAINMENT IN CITY OF NATAL

ABSTRACT

The development of cities along with the inadequate soil's use has aggravated the problems related to urban drainage. In order to overcome this situation, a number of techniques have been developed over time, including rainwater detention and infiltration reservoirs uses. This work aims to evaluate the efficiency of these devices in the city of Natal - RN and observe their behavior in the containment of floods in the city. In order to understand the operation of this type of device during the last years, it was necessary to use a modeling in which it simulates its behavior according to the historical precipitations and the conditions of use, operation and maintenance. In this analysis, the water balance equation was used, together with the rainfall transformation using the SCS (Soil Conservation Service) model, for four reservoirs in the city. It was seen that reservoir efficiencies were between 91.76% and 99.39% in a suitable operation and maintenance scenario. In addition, the relationships between reservoir efficiencies and repression systems and wall and bottom sealing were observed, and it was observed that the absence of pumping causes a reduction of up to 29.95% in the efficiency of the reservoirs and that the sealing does not cause significant loss of efficiency, but it causes transshipped volumes up to 70.72% higher. Thus it was observed that the detention and infiltration reservoirs have improved efficiency as the better their conditions of conservation and use.

Keywords: urban drainage, detention reservoirs, efficiency

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Autor: Wanderley de Carvalho Figueiredo, graduando em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Orientadora: Profa. Dra. Joana Darc Freire de Medeiros, professora adjunta do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

INTRODUÇÂO

O Brasil nas últimas décadas sofreu um processo de urbanização intensificado e desordenado, com a população residente nos centros urbanos passando da ordem de 31% no ano de 1940 para cerca de 84% em 2010 (IBGE, 2017). A falta de políticas públicas no que diz respeito ao planejamento dos centros urbanos, juntamente com as históricas ocupações próximas aos cursos d’água, faz com que o ambiente urbano brasileiro seja impactado por alagamentos e inundações (SILVA & CABRAL, 2014) O elevado crescimento urbano aliado ao uso e a ocupação do solo de maneira inadequada, traz consigo sérios problemas de drenagem devido à alta impermeabilização do solo (ROSSI, 2014). A diminuição da capacidade de infiltração do solo provocada pela sua impermeabilização ocasiona o aumento do volume pluvial escoado superficialmente, gerando sobrecarga nos sistemas de drenagem e influenciando diretamente as inundações no meio urbano (RIGHETTO, 2009). Tucci (2005) aborda essa problemática listando os principais impactos das inundações sobre a população: (a) prejuízos de perdas materiais e humanos; (b) Interrupção da atividade econômica das áreas inundadas; (c) contaminação por doenças de veiculação hídrica como leptospirose, cólera, entre outras e (d) contaminação da água pela inundação de depósitos de material tóxico, estações de tratamento, entre outros.

A urbanização desordenada das cidades brasileiras tem contribuído para o agravamento das cheias urbanas e ampliação de suas frequências, favorecendo também o surgimento de novos pontos de alagamentos devido a progressiva impermeabilização do solo (CRUZ, 2004). Além disso, a disposição inadequada dos resíduos sólidos juntamente com a ausência de redes de coleta de esgotos ou, quando existentes, a interligação destas aos sistemas de drenagem de águas pluviais tendem a intensificar esses problemas, tornando-se evidente a perda da qualidade de vida da população urbana (MENEZES FILHO, 2014).

Tentando diminuir os impactos dessa urbanização desordenada e na busca de uma solução aos problemas de drenagem, são utilizados diversos dispositivos de armazenamento e infiltração que reduzem o pico dos hidrograma de cheia e buscam recuperar a capacidade de amortecimento da bacia perdida pela impermeabilização (CRUZ; TUCCI; SILVEIRA, 1998). Há uma diversidade com relação a estes dispositivos, chamados de SUDS (Sustainable Urban Drainage Systems), sendo os mais comuns as valas, trincheiras e poços de infiltração, os pavimentos permeáveis, os telhados verdes, as faixas gramadas e as bacias/ reservatórios de detenção e infiltração (AGOSTINHO & POLETO, 2012). Beux e Ottoni (2015) ainda citam os sistemas de bio-retenção, também conhecidos como jardins de chuva, que, além de funcionar como elemento de drenagem, podem compor a paisagem natural da região onde estão localizados.

A implementação de reservatórios de detenção e infiltração em áreas suscetíveis aos alagamentos é uma tarefa que envolve grande número de variáveis e alternativas possíveis, como, por exemplo, a disponibilidade de áreas para construção desses dispositivos, os custos relacionados à aquisição das mesmas, a existência de sistemas mistos de coleta, dentre outras (CRUZ, 2004).

Este tipo de solução tem sido adotado para Natal nos últimos anos devido às características naturais do relevo da cidade (ondulado de formação dunar) e das condições litorâneas que formam uma barreira natural ao escoamento superficial diretamente para o mar. Estas propriedades contribuem para a existência de áreas sujeitas a alagamentos nos períodos chuvosos e gera dificuldades para a implantação de sistemas eficientes de drenagem devido à formação de bacias fechadas (PDDMA, 2009).

A implantação de reservatórios de detenção requer mais do que o simples dimensionamento e locação do mesmo, é necessário também a adoção de medidas socioeducativas e a avaliação da eficiência e condições de operação e manutenção destes dispositivos (ROSSI, 2014).

Neste sentido, este trabalho tem por objetivo analisar a eficiência dos reservatórios de detenção de Natal tendo em vista sua importância para o sistema de drenagem da cidade, verificando as suas capacidades de redução dos alagamentos e, consequentemente, dos prejuízos sociais e econômicos associados aos transbordamentos dessas estruturas.

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REVISÃO DA LITERATURA

Drenagem urbana: abordagem técnica

Por muito tempo utilizou-se a abordagem tradicional ou convencional, que consiste em drenar a região por meio de condutos pluviais o mais rápido possível para coletores principais como rios e riachos urbanos (TUCCI, 2003). Porém a adoção desse tipo de medida não resolve os problemas de impermeabilização, pois apenas transfere os escoamentos para áreas mais a jusante da bacia (AMARAL & BEMFICA, 2013). Nesta abordagem apenas uma parte da bacia é considerada, sem que haja um estudo sobre as consequências para áreas localizadas nas regiões mais a jusante da bacia ou até mesmo estudos sobre diferentes horizontes da ocupação urbana (TUCCI, 2005).

O maior destaque na contenção de inundações está no uso de técnicas compensatórias ou não convencionais que procuram a recuperação de funções anteriores à urbanização ou então a compensação dos seus efeitos sobre a drenagem (CRUZ et al, 2001). Essas técnicas focam principalmente em ações de armazenamento, infiltração, interceptação e evapotranspiração das águas pluviais, (RIGHETTO, 2009). Menezes Filho (2014) cita como exemplos de elementos de drenagem não convencionais as bacias de detenção e retenção, os telhados verdes, os pavimentos permeáveis, as trincheiras e valas de infiltração, dentre outras estruturas.

Rossi (2014) destaca que o problema da inundação urbana é complexo e envolve vários tipos de técnicas sobre a bacia hidrográfica, tratando-a como um sistema único e dinâmico, sendo necessário para o seu controle um conjunto de medidas estruturais e não estruturais, que vão desde o planejamento do uso e ocupação do solo até o convívio com a problemática da drenagem. Essas medidas envolvem, principalmente, obras de engenharia, zoneamento das cidades, sistemas de alerta e seguros (DECINA & BRANDÃO, 2016).

Reservatórios de detenção e infiltração

O aumento da impermeabilização e a utilização de canais e condutos de águas pluviais acarretam no aumento da vazão máxima e do escoamento superficial, contudo para que esse acréscimo não seja conduzido à jusante há a utilização de dispositivos como tanques, lagos e reservatórios que funcionam como amortecedores do volume gerado (TUCCI, 2005). Os reservatórios de detenção são utilizados desde a antiguidade, podem ser abertos ou fechados e tem a função de regular a vazão de saída escoando os volumes através de bombeamento, gravidade ou sistema misto (TOMAZ, 2002).

Quando os dispositivos são projetados para permanecerem secos entre eventos, podendo ser utilizados também para outros fins, são denominados de reservatórios de detenção e quando são projetados para a permanência de uma lamina de água em sua parte inferior são denominados de reservatórios de retenção. Esta segunda opção exige áreas maiores com relação à primeira, tendo uma facilidade de implantação maior à medida que se tenha um nível de lençol freático mais alto e seja propício a criação de um lago para fins paisagísticos e recreativos, pois facilita a sua aceitação pela sociedade (NAKAZONE, 2005).

O processo de infiltração aliado aos reservatórios de detenção é um importante elemento de drenagem, pois além de amortecer o pico dos hidrogramas, diminui os volumes escoados e recarrega o aquífero. Como complemento a esse tipo de alternativa no intuito de se aumentar esse processo, podem ser utilizados poços de infiltração dispostos no fundo do reservatório para amplificar significativamente as taxas de infiltração (CARDOSO, 2015).

Outro ponto positivo da utilização de sistemas de detenção é o de controlar a poluição difusa oriundo da “lavagem” da cidade pela chuva, já que ao concentrar os volumes escoados em determinados pontos evitam que parte dessa poluição alcance os corpos receptores maiores, pois podem apresentar uma remoção média de poluentes em torno de 40% a 60% dependendo do tempo de concentração (SILVA, 2009).

Assim, os reservatórios de detenção e infiltração englobam medidas de controle para acumulação temporária e infiltração das águas pluviais para atender a três funções principais:

amortecimento de cheias, redução dos volumes escoados superficialmente e redução da poluição difusa (BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD, 2005).

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Sistema de drenagem de Natal/RN

O Plano Diretor de Drenagem e Manejo de Águas Pluviais de Natal (PDDMA) divide Natal em dois setores distintos, separados entre si pelo estuário do Rio Potengi. O Setor I, que compreende a zona Norte da cidade, possui 6 bacias hidrográficas, enquanto o Setor II, formado pelas zonas Sul, Leste e Oeste, possui 14 bacias hidrográficas, totalizando 20 bacias, conforme mostra a Tabela 1.

Para um maior detalhamento, voltado ao dimensionamento e adequação do sistema de drenagem, o PDDMA ainda divide as bacias em sub-bacias, que são terrenos que contribuem com escoamentos pluviais para cada elemento de macrodrenagem. No caso de Natal todas as sub-bacias tiveram reservatórios de detenção e infiltração como elementos de macrodrenagem adotados.

A rede de bacias de detenção e infiltração utiliza principalmente sistemas de recalque, que no geral se mostram eficientes mesmo com eventuais falhas operacionais, porém há casos em que o sistema de recalque não é mais suficiente para atender à demanda surgida com o crescimento da cidade, o que acaba ocasionando o transbordamento dos reservatórios (RIGHETTO, 2009).

Além disso, há fatores como a falta de limpeza e lançamento de efluentes sanitários nas lagoas que diminuem as suas capacidades de armazenamento e infiltração. A dificuldade de acesso às mesmas por pessoal e equipamentos de limpeza, prejudica a remoção do material sedimentado, raspagem do fundo, roçagem e capina, ainda mais, o isolamento das áreas internas não é efetivo, o que acaba contribuindo para o deposito de resíduos sólidos por parte da população (SILVA, 2011).

Outro fator agravante é o lançamento de água servida e esgotos sanitários nas lagoas, que acaba provocando problemas estéticos, de odor, crescimento de vegetação, proliferação de vetores, além de danificar o sistema (PMSB, 2014).

A adoção de reservatórios de detenção requer concomitante a utilização de medidas não- estruturais, principalmente de educação ambiental. Nota-se que o funcionamento dessas estruturas está diretamente ligado aos comportamentos e aos hábitos da população da bacia de contribuição. Logo, é necessário que haja uma forte política educacional e uma fiscalização efetiva no intuito de se obter a máxima eficiência possível dos reservatórios, evitando assim, possíveis transtornos por alagamentos (NAKAZONE, 2005).

É de fundamental importância manter os reservatórios sempre operando no seu volume de projeto, evitando ao máximo o acúmulo de lixo, restos de poda e sedimentação de materiais. Tucci (2005) relata que a produção de sedimentos e resíduos tem sido um dos principais problemas para o funcionamento dos dispositivos de detenção, pois assoreiam as seções e contaminam as águas, criando cenários indesejáveis e aumentando os custos de manutenção dos dispositivos hidráulicos.

Além disso, outras soluções poderiam ser utilizadas como substituição ou complementação do sistema de drenagem de Natal. Pereira (2014) ao estudar a Bacia Hidrográfica do rio Pirajuçara, conclui que para bacias com áreas de até 3 km² (300 ha), como é o caso das sub-bacias II-12, XII-4, XIX-2B e XX-2, o uso do pavimento permeável apresenta uma relação custo/eficiência muito boa, equivalente ou até menor em comparação aos reservatórios de detenção, sendo uma alternativa competitiva a esses dispositivos.

Silva (2011) ainda propõe o uso não potável das aguas das lagoas de detenção e infiltração de Natal, para isso sugere uma regulamentação por parte da prefeitura, em que a mesma monitore a qualidade da água e a entregue compatível ao usuário de acordo com a utilização da mesma. São diversos os usos possíveis, como por exemplo: psicultura, irrigação, proteção contra incêndios, limpeza de ruas e compactação do solo.

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Tabela 1: Bacias de Natal

Fonte: PDDMA (2009).

METODOLOGIA

Área de estudo

Para a realização deste trabalho foram escolhidos quatro reservatórios de detenção e infiltração denominados: Lagoa do Santarém, Lagoa do Preá, Lagoa de Capim Macio RD01e Lagoa do Alagamar (Figura 1). Estas lagoas foram escolhidas por possuírem algumas características peculiares como o formato trapezoidal e extravasamento por sistema de recalque.

A Lagoa do Santarém possui um volume de 69.416 metros cúbicos, está situada na bacia de Lagoa Azul (II), sub-bacia II-12, possui uma área de drenagem de 194,30 ha e engloba as regiões do bairro Potengi e do Pajuçara - proximidades da Lagoa até a Av. João Medeiros Filho (Figura 2). A bacia II, que tem como exutório a Lagoa Azul, é a mais complexa, maior e mais diversificada socioeconomicamente e ambientalmente da Zona Norte. Está localizada na porção central implantada dentro dos bairros de Potengi, Pajuçara, Nossa Senhora da Apresentação e Lagoa Azul. Possui 13 sub- bacias. Há presença de algumas áreas permeáveis em quase todas as sub-bacias. A sua ocupação se configura com presença de conjuntos habitacionais bem delimitados, além de ocupações informais, sem muita definição de limite de lotes, quadras e de sistema viário.

A lagoa do Preá possui um volume de 28.791 metros cúbicos, está situada na bacia do Rio das Lavadeiras (XII), sub-bacia XII-4, possui uma área de drenagem de 128,78 ha e engloba as regiões do bairro de Lagoa Nova – Região do trecho da Av. Salgado Filho com Antônio Basílio até as proximidades da lagoa. A Bacia XII, cujo exutório é o Rio Potengi, abrange parte dos bairros das Quintas, Nordeste, Dix-Sept Rosado, Nossa Senhora de Nazaré, Lagoa Nova, Nova Descoberta e Candelária, além de pequenos trechos do Parque das Dunas e dos bairros de Bom Pastor, Lagoa Seca, Alecrim, Capim Macio e Cidade da Esperança (Figura 3). Possui 05 sub-bacias. Seu uso é predominantemente residencial, abarcando edificações em diferentes condições e com condições socioeconômicas heterogêneas. Há predominantemente solo impermeabilizado, exceto, parte do terreno do Centro Administrativo e da UFRN, que funcionam como áreas de absorção das águas pluviais em função dos seus espaços livres.

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Figura 1: Localização das sub-bacias estudadas em destaque

Fonte: Adaptado do PDDMA, 2009.

Figura 2: Localização da Lagoa do Santarém em destaque

Fonte: Google Maps.

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Figura 3: Localização da Lagoa do Preá em destaque

Fonte: Google Maps.

A Lagoa de Capim Macio RD01 possui um volume de 39.765 metros cúbicos, está situada na bacia da Lagoinha (XIX), sub-bacia XIX-2B, possui uma área de drenagem de 43,43 ha e engloba as regiões do bairro de Capim Macio nas proximidades da lagoa (Figura 4). A bacia XIX, que tem como corpo receptor de suas águas a Lagoinha, está localizada na Zona Sul da cidade, distribui-se nos bairros Neópolis, Capim Macio e Ponta Negra. Possui áreas de comércio e residências. Apresenta cinco sub-bacias e doze lagoas. A sub-bacia XIX.2 encontra-se sub-dividida nas sub-bacias XIX.2 A, B, C, D e E.

Figura 4: Localização da Lagoa de Capim Macio RD01 em destaque

Fonte: Google Maps.

Por fim, a Lagoa do Alagamar possui um volume de 9.037 metros cúbicos, está situada na bacia da Praia de Ponta Negra (XX), sub-bacia XX-2, possui uma área de 22,32 ha e engloba a região da Vila de Ponta Negra nas proximidades da Lagoa. A Bacia XX tem como exutório a Praia de Ponta Negra e engloba parcela do bairro de mesmo nome (Figura 5). Com relação à ocupação urbana na área, esta só não ocorre na sub-bacia XX.5, onde há a Zona de Preservação Ambiental 06. As tipologias vão desde pequenas casas até altos edifícios residenciais e apart-hotéis. O adensamento vem se intensificando a cada dia, principalmente em razão da verticalização. Nessa bacia, o relevo é bastante acidentado, o que, associado à impermeabilização do solo, propicia o escoamento das águas pluviais para as lagoas existentes.

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Figura 5: Localização da Lagoa do Alagamar em destaque

Fonte: Google Maps.

Transformação da chuva em vazão

Para estimar a chuva efetiva resultante de um evento chuvoso utilizou-se o método do Soil Conservation Service – SCS. Devido à sua simplicidade, o método do SCS é bastante utilizado pelos projetistas e é um dos métodos de dimensionamento apresentado no manual de Drenagem de Natal (PDDMA, 2009).

O método SCS está baseado na equação de balanço hídrico na superfície do solo e em mais duas hipóteses relacionadas à capacidade de infiltração e armazenamento do solo para a estimativa da chuva efetiva:

𝑃𝑒𝑓=(𝑃 − 0,2𝑆)² (𝑃 + 0,8𝑆) (1)

Onde Pef é a chuva efetiva ou escoamento superficial do evento chuvoso (mm); P é a precipitação ocorrida ao longo de um evento chuvoso (mm); e S é a máxima infiltração acumulada potencial (mm).

Esta equação (1) é válida para P > 0,2S, quando P ≤ 0,2S, Pef = 0.

Para determinar a máxima infiltração acumulada potencial S, têm-se a seguinte equação:

𝑆 =25400

𝐶𝑁 − 254 (2)

Onde S é a máxima infiltração acumulada potencial (mm); CN é um parâmetro adimensional.

Para este estudo as séries de precipitações utilizadas no cálculo da chuva efetiva foram obtidas através de boletins pluviométricos para o município de Natal, no período de 2006 à 2015 (EMPARN, 2017).

Os valores de CN foram retirados de Collischonn e Dornelles (2013, p. 139). Foi considerado como tipo de uso do solo zonas residenciais, lotes de 500 m² com porcentagem média de impermeabilização de 65%. Para a classificação dos solos foi considerada a Tabela 1, na qual relaciona as bacias de drenagem de Natal com os diferentes tipos de solo do modelo SCS. Assim, foi obtido um CN de 90 para as sub-bacias XX-2, XII-4 e II-12, enquanto que para a sub-bacia XIX-2B, foi obtido um CN de 85.

Balanço hídrico

Para os reservatórios estudados, foi utilizada uma metodologia simplificada de aplicação do balanço hídrico, tomando-se como base a seguinte equação:

V_t= V_t−1+ Q − q − V_i− V_e (3)

Onde Vt é o volume total em um tempo t (m³); Vt-1 é o volume remanescente no reservatório devido evento anterior a t (m³); Q é o volume escoado superficialmente que entra no reservatório (m³);

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q é o volume recalcado pelo sistema de bombeamento no tempo t (m³); Vi é o volume infiltrado no reservatório (m³); e Ve é o volume evaporado pela superfície de água no reservatório (m³).

Para o cálculo do volume recalcado foi considerado um conjunto motor-bomba eficiente capaz de esvaziar o reservatório em um tempo t, neste caso em um dia. Assim essa consideração leva em conta que o sistema possui uma capacidade de recalcar qualquer volume compreendido entre a altura do reservatório e a cota de sucção. Para a cota de sucção foi padronizado o valor de 1,20 m para as quatro lagoas, referente a uma altura de sucção de 0,80 m e mais uma altura de 0,40 m de lâmina d’água para resfriamento da bomba, que deve trabalhar submersa (Informação verbal)¹.

O volume escoado superficialmente (Q) foi calculado por:

Q = PefA 1000 (4)

Onde Q é o volume escoado superficialmente que entra no reservatório (m³); Pef é a chuva efetiva ou escoamento superficial do evento chuvoso (mm); e A é a área da sub-bacia (m²).

A parcela de água que infiltra no solo foi obtida por:

V_i=24 A_infT_inf 1000 (5)

Onde Vi é o volume infiltrado no reservatório (m³); Ainf é a área de infiltração das laterais e do fundo do reservatório (m²); e Tinf é a taxa de infiltração do solo (mm/h). No cálculo da área de infiltração, considerou-se que todo o escoamento superficial aporta ao reservatório, ocorre a infiltração e somente após a infiltração ocorre a saída pelo bombeamento.

E por fim, para o cálculo do volume perdido por evaporação tem-se:

V_e= E_diaA_ev 1000 (6)

Onde Ve é o volume evaporado pela superfície de água no reservatório (m³); Edia é a evaporação diária na região (mm); e Aev é a área de evaporação da lâmina d’água (m²).

As evaporações diárias utilizadas foram obtidas através das Normais Climatológicas do Brasil, no período de 1961 a 1990 (INMET, 2017).

Eficiência

A eficiência do reservatório foi obtida por:

𝐸(%) = 100 − ( 𝑛

𝑑∗ 100 ) (7)

Onde E é a eficiência do reservatório em porcentagem; n é o número total de dias com transbordamentos; e d o número de dias considerados.

Para que haja transbordamento, o volume total VT resultante do balanço hídrico (3) deve ser maior do que a capacidade do reservatório C (8), assim a somatória dos eventos com tais características é número total de transbordamentos n.

A capacidade do reservatório foi calculada por:

𝐶 = 𝐿. 𝑊. 𝐷 + (𝐿 + 𝑊). 𝑍. 𝐷²+4

3𝑍² (8)

Onde Cé a capacidade do reservatório (m³); L é o comprimento do fundo do reservatório (m);

W é a largura do fundo do reservatório (m); D é a profundidade da lâmina d’água no reservatório (m);

e Z é a inclinação do talude, razão entre a horizontal e a vertical, adimensional.

As medidas dos reservatórios (figura 6) foram obtidas através de estimativas por parte do corpo técnico da prefeitura, pois a mesma não possui um cadastro contendo as características de projeto das lagoas e também não contém as informações a respeito das alterações sofridas por estas com o decorrer do tempo.

No cálculo da eficiência considerou quatro cenários:

(i) Com infiltração normal e o sistema de recalque com eficiência total;

(ii) Com infiltração normal e sem o sistema de recalque;

1Informação fornecida por Diogo A. M. de Oliveira, engenheiro civil da Secretaria Municipal de Obras Públicas e Infraestrutura (SEMOV).

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(iii) Sem infiltração, considerando que o reservatório estava colmatado, com o sistema de recalque com eficiência total;

(iv) Sem infiltração e sem sistema de recalque.

Figura 6: Representação esquemática e medidas dos reservatórios

Fonte: Adaptado de Tomaz (2009).

RESULTADOS

Os quadros 1 a 4 mostram o comportamento dos reservatórios (cenários i e iii) no período estudado, sendo possível observar as suas eficiências anuais individuais, as precipitações totais anuais e os volumes transbordados no período, além da quantidade de dias em que houve precipitação e em que houve escoamento.

Quadro 1: Comportamento da Lagoa do Santarém

Fonte: Elaborado pelo autor.

Quadro 2: Comportamento da Lagoa do Preá

Ano Precipitação total (mm)

Dias com precipitação

Dias com

escoamento Total Volume (m³) Eficiência (%) Total Volume (m³) Eficiência (%)

2006 1582.50 167 54 1 75055 98.15 1 86701 98.15

2007 1754.40 185 66 2 76738 96.97 2 87534 96.97

2008 2475.60 181 64 8 895762 87.50 8 964826 87.50

2009 2340.50 198 74 5 148753 93.24 6 204410 91.89

2010 1192.40 150 55 0 0 100.00 0 0 100.00

2011 2184.40 196 84 3 116725 96.43 3 152093 96.43

2012 1242.00 171 51 1 3574 98.04 1 19452 98.04

2013 1879.10 139 60 4 156964 93.33 5 210619 91.67

2014 1753.80 173 58 3 427784 94.83 3 462829 94.83

2015 1408.30 149 65 0 0 100.00 0 0 100.00

Total 17813.00 1709 631 27 1901355 95.72 29 2188464 95.40

Transbordamentos sem infiltração

Período Transbordamentos com infiltração

Dias com

2006 1582.50 167 54 4 101607 92.59 4 111025 92.59

2007 1754.40 185 66 5 123952 92.42 6 141948 90.91

2008 2475.60 181 64 10 814619 84.38 10 848783 84.38

2009 2340.50 198 74 10 309844 86.49 11 353928 85.14

2010 1192.40 150 55 2 14296 96.36 2 22513 96.36

2011 2184.40 196 84 5 199720 94.05 6 219343 92.86

2012 1242.00 171 51 2 43504 96.08 3 54326 94.12

2013 1879.10 139 60 7 268821 88.33 7 298537 88.33

2014 1753.80 173 58 4 369656 93.10 5 391746 91.38

2015 1408.30 149 65 3 13935 95.38 3 28344 95.38

Total 17813.00 1709 631 52 2259954 91.76 57 2470491 90.97

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Quadro 3: Comportamento da Lagoa de Capim Macio RD01

Quadro 4: Comportamento da Lagoa do Alagamar

A figura 7, mostra as eficiências obtidas nos quatro cenários estudados, de forma a avaliar a influência da infiltração na redução dos alagamentos e da sua combinação com o funcionamento dos sistemas de recalque, considerando este em sua total eficiência e em sua total ausência.

DISCUSSÃO

Para a realização deste trabalho foi necessária uma simplificação da modelagem devido à utilização de precipitações diárias totais. Assim, para o balanço hídrico, esta simplificação considera que todo o volume escoado superficialmente chega ao reservatório e a partir de então são diminuídas as parcelas relacionadas à infiltração, à evaporação e ao bombeamento, respectivamente, obtendo então os resultados.

Nota-se nos quadros 1 a 4 que o ano mais chuvoso foi o de 2008, seguido por 2009 e 2011, todos acima dos 2000 mm precipitados e responsáveis pela maior parte dos transbordamentos. Porém, anos que não tiveram uma precipitação tão elevada quanto os anteriormente citados, como são os casos de 2013 e 2014, também resultaram em um número significativo de transbordamentos, mesmo suas precipitações totais estando abaixo dos 2000 mm.

Foram identificados ao todo 1709 dias com precipitação, destes 631 foram responsáveis por gerar escoamento para as lagoas de Santarém, Preá e Alagamar. A lagoa de Capim Macio teve uma quantidade menor de dias com escoamento, 489 no total, ou seja 142 dias a menos. Isso se deve ao fato da bacia possuir uma característica de solo diferente das demais, maior capacidade de infiltração, o que acaba por influenciar na determinação do CN e consequentemente menor precipitação efetiva pelo método SCS.

Dias com

2006 1582.50 167 44 0 0 100.00 0 0 100.00

2007 1754.40 185 47 0 0 100.00 0 0 100.00

2008 2475.60 181 54 2 19890 96.30 2 31861 96.30

2009 2340.50 198 64 0 0 100.00 0 0 100.00

2010 1192.40 150 42 0 0 100.00 0 0 100.00

2011 2184.40 196 61 0 0 100.00 0 0 100.00

2012 1242.00 171 37 0 0 100.00 0 0 100.00

2013 1879.10 139 48 0 0 100.00 0 0 100.00

2014 1753.80 173 42 1 15706 97.62 1 28910 97.62

2015 1408.30 149 50 0 0 100.00 0 0 100.00

Total 17813.00 1709 489 3 35596 99.39 3 60771 99.39

Dias com

2006 1582.50 167 54 1 7130 98.15 1 9053 98.15

2007 1754.40 185 66 2 6433 96.97 2 7971 96.97

2008 2475.60 181 64 7 93531 89.06 8 104492 87.50

2009 2340.50 198 74 4 10060 94.59 5 18539 93.24

2010 1192.40 150 55 0 0 100.00 0 0 100.00

2011 2184.40 196 84 2 8296 97.62 3 14750 96.43

2012 1242.00 171 51 0 0 100.00 1 1323 98.04

2013 1879.10 139 60 3 12651 95.00 4 19890 93.33

2014 1753.80 173 58 3 44945 94.83 3 50917 94.83

2015 1408.30 149 65 0 0 100.00 0 0 100.00

Total 17813.00 1709 631 22 183045 96.51 27 226934 95.72

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É possível observar que uma maior quantidade de dias com escoamento não significa ao mesmo tempo um volume transbordado maior, como se pode ver nos anos de 2006 e 2007 para a lagoa de Santarém, onde o volume transbordado foi praticamente igual, mesmo o ano de 2007 possuindo mais dias com escoamento. Os quadros 1 a 4 ainda mostram que a mesma quantidade de dias com precipitação efetiva que ocasionam transbordamentos podem gerar volumes transbordados diferentes, como se observa nos anos de 2008 e 2009 para a lagoa do Preá. Neste caso, houve 10 transbordamentos para cada um dos anos, porém o segundo ano teve um volume 61,96% menor com relação ao primeiro.

Apesar da simplificação utilizada, nota-se a compatibilidade entre transbordamentos ocorridos em Natal e entre transbordamentos obtidos no trabalho para o período estudado. Como por exemplo, os transbordamentos das lagoas do Preá e Santarém em 2014 relatados por diversas mídias como Carvalho (2014), Lima (2014) e Câmara (2014). Esses transbordamentos ocorrem devido a dois fortes eventos chuvosos seguidos (14 e 15/06/2014) totalizando 353 mm, 20% do precipitado durante todo o ano.

Figura 7: Comparativo entre as eficiências dos reservatórios

Os resultados apresentados mostram que a eficiência dos reservatórios de detenção está diretamente ligada às suas condições de projeto, uso e manutenção. Todas as bacias apresentam elevadas eficiência de retenção dos picos de cheia em condições perfeitas de operação e manutenção, ou seja, com infiltração e 100% de bombeamento (Quadros de 1 a 4 e Figura 7). No entanto, como os reservatórios foram projetados para operarem por bombeamento, uma falha técnica no sistema de

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recalque, provoca grandes perdas de eficiência (Figura 7). A bacia mais susceptível a problemas em cenário de problema no sistema de recalque foi a lagoa do Preá, que apresenta uma perda de 29,95 e 76,77 pontos percentuais nos cenários sem bombeamento para a situação com e sem infiltração, respectivamente, portanto é imprescindível que sejam feitos reparos constantes para evitar posteriores transtornos.

É comum ocorrerem problemas de manutenção dos sistemas de recalque, sendo frequente a divulgação de informações sobre os transbordamentos das lagoas. Araújo (2011), ao relatar à problemática das lagoas de Natal, comenta que as bombas de sucção não funcionam corretamente devido às quebras constantes e isso faz com que a população se canse de pedir ajuda aos órgãos responsáveis.

A lagoa menos susceptível a falhas de bombeamento foi a de Capim Macio, que no cenário com infiltração, praticamente não apresenta queda de eficiência quando seu sistema de bombeamento colapsa (passando de 99,39% para 98,77%).

Com relação a infiltração, para este trabalho, por se tratar de um modelo simplificado, foi adotado uma taxa de infiltração constante. Cardoso (2015) observa que a existência ou não do lençol freático e a sua profundidade, juntamente com os tempos de esvaziamentos do reservatório em eventos chuvosos sucessivos, alteram a sua capacidade de infiltração. Apesar disso, os resultados mostram que a ausência da infiltração em si não provoca grandes perdas de eficiência (Figura 7) na maioria das lagoas estudadas. Por exemplo, a lagoa de Santarém passa de uma eficiência de 95,72% para 95,40%

no cenário com e sem infiltração, respectivamente. Isso se deve principalmente às pequenas áreas de infiltração dos reservatórios.

No entanto, a colmatação mostra grande impacto na lagoa de Capim Macio, chegando a ter uma queda de 58,28 pontos percentuais num cenário de 0% de bombeamento. No cenário sem infiltração a eficiência não chega cair nenhum ponto percentual num cenário de bombeamento 100%, porém há um aumento do volume transbordado de 70,72% (quadro 3). Isso se deve ao fato de que a água que antes percolava para o solo, na ausência de infiltração, passa a compor um volume excedente.

O maior impacto na eficiência é sentido quando a falta de infiltração é aliada à eventuais falhas do sistema de recalque. Neste cenário, a adoção de reservatórios de detenção torna-se uma solução completamente ineficiente. Recomenda-se então a limpeza constante para evitar a colmatação do reservatório, pois na ausência de bombeamento, é através da percolação da água no solo que a estrutura passa a atuar.

A colmatação ocorre devido à retenção de material fino como siltes e argilas, à produção de gases provenientes das decomposições das matérias orgânicas ou devido ao desenvolvimento de bactérias e algas (AMORIM, 2016). Estes materiais se depositam no fundo e paredes do reservatório preenchendo os poros do material mais superficial e diminuindo sua capacidade de infiltração (ROSEIRO, 2009).

CONCLUSÃO

Este trabalho teve como objetivo analisar as eficiências dos reservatórios de detenção de Natal. Foram estudadas 04 (quatro) reservatórios de detenção: Santarém, Preá, Capim Macio RD01 e Alagamar. O balanço hídrico no período de 2006 a 2015 permitiu avaliar de forma satisfatória o funcionamento das lagoas.

As quatro lagoas estudadas apresentaram eficiências entre 91,76% e 99,39% num cenário de operação e manutenção adequadas.

No cenário sem bombeamento, deixou clara a dependência das quatro lagoas ao bombeamento, as eficiências foram reduzidas em até 29,95 pontos percentuais.

A colmatação não impactou significativamente a eficiência das lagoas, porém causaram aumentos relativos nos volumes transbordados, chegando a 70,72% na lagoa de Capim Macio RD01.

Assim, conclui-se que os reservatórios de detenção têm uma melhor eficiência quanto melhores forem as suas condições de operação, além de ter uma significativa importância para o sistema de drenagem, ficando evidenciado os consequentes transbordamentos por eventuais falhas de projeto, uso e manutenção.

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