Elaboração de projeto de captação e aproveitamento de água
pluvial para fins não potáveis: Estudo de caso do campus Praça
da Liberdade do Centro Universitário Metodista Izabela Hendrix
(Belo Horizonte / MG)
Jade Botelho Paixão
Graduada em Engenharia Civil pelo Centro Universitário Metodista Izabela Hendrix (CEUNIH), paixao.jade@gmail.com
Pedro Henrique de Paula Lima
Graduado em Engenharia Civil pelo Centro Universitário Metodista Izabela Hendrix (CEUNIH), paulalima.pedro@gmail.com
Daniel Augusto de Miranda
Mestre em Engenharia Civil (EPFL, Suíça), docente do Centro Universitário Metodista Izabela Hendrix (CEUNIH), daniel.miranda1@izabelahendrix.edu.br
Resumo
Com o cenário atual de escassez da água, sobretudo na Região Sudeste do Brasil, cresce a busca por sistemas de uso racional deste recurso. O uso de águas pluviais é uma importante forma de promover o desenvolvimento sustentável; além de reduzir o consumo e o custo da água potável, ainda contribui para uma melhor distribuição da água de chuva no sistema de drenagem urbana. Dado o cenário de escassez hídrica na RMBH e o provável grande consumo de água tratada no campus Praça da Liberdade do Centro Universitário Metodista Izabela Hendrix (CEUNIH), foi elaborado um projeto de captação e aproveitamento de água pluvial para esta localidade, seguindo as orientações da NBR 15527/2007. A implantação deste tipo de sistema envolveu a determinação de dados como precipitação média do local, área de captação, coeficiente de escoamento superficial, qualidade da água, identificação dos usos da água e o estabelecimento do tipo de tratamento a ser aplicado às águas pluviais. Observou-se que alguns métodos não são adequados para determinadas condições de precipitação. O método da Simulação foi julgado o mais conveniente, pois permite que o usuário realize a simulação de volumes de reservatórios até que se chegue à eficiência desejada para o sistema. Baseado nos resultados encontrados, a implantação de um sistema de aproveitamento de água pluvial traria resultados efetivos para o CEUNIH em termos de redução do consumo de água tratada, uma vez que o reservatório dimensionado seria capaz de atender toda demanda de irrigação dos jardins do campus.
1 Introdução
A água, insumo essencial à preservação da vida na Terra, vem sendo motivo de preocupação em todo o mundo pelos crescentes sinais de escassez e deterioração (LAGE, 2010). O Brasil detém 12% da água doce superficial disponível no planeta (ANA, 2012). Entretanto, Tomaz (2001) descreve que a disponibilidade hídrica no Brasil é mal distribuída; enquanto o Sudeste, onde vive a maioria dos brasileiros, detém em média 6% da disponibilidade dos recursos hídricos, a região Norte, com a menor densidade demográfica, detém mais de 40% deste recurso. O crescimento populacional, e o consequente aumento da demanda por água nos grandes centros urbanos, têm causado a insuficiência desse recurso (Agência Nacional de águas - ANA, 2012).
Portanto, de acordo com May (2004), cresce a busca por sistemas de uso racional deste recurso. O aproveitamento de fontes alternativas busca o emprego de água “menos nobre” para fins “menos nobres” (SILVA, 2004).
A NBR 15527 (ABNT, 2007) destaca que as águas de chuva podem ser utilizadas, após tratamento adequado, em descargas em bacias sanitárias, irrigação de gramados, limpeza de pátios, entre outros. Para determinação do dimensionamento do volume do reservatório, a norma sugere em seu anexo seis métodos: de Rippl, da simulação, Azevedo Neto, prático alemão, prático inglês e prático australiano.
A implantação de sistemas de captação de águas pluviais envolve a determinação de dados como: precipitação média do local, área de captação, coeficiente de escoamento superficial, qualidade da água, identificação dos usos da água e o tratamento a ser aplicado às águas pluviais. Assim, cada sistema deve ser projetado para condições específicas do local a ser implantado (TOMAZ, 2003).
Para Silva (2004), a configuração básica de um sistema de aproveitamento de água pluvial consta da área de captação (telhado, laje), dos sistemas de condução de água (calhas e condutores), da unidade de tratamento da água (reservatório de autolimpeza, filtros,
desinfecção) e do reservatório de acumulação, sendo que ainda podem ser necessários outros itens complementares.
De acordo com Tomaz (2001), após três dias de seca, vão-se acumulando nos telhados poeiras, folhas, detritos, etc., e é aconselhável que esta primeira água de chuva seja descartada (first flush ou carga de lavagem). As pesquisas feitas mostram que o first flush varia de 0,4 L/m² a 8 L/m² de telhado conforme a região; na falta de dados locais, o autor sugere o uso de de 2 L/m².
Existem diversas formas de tratamento da água coletada, desde simples filtragem até tratamentos mais específicos, variando em função da qualidade que se deve atender, não sendo o foco deste trabalho o detalhamento do tipo de tratamento a ser adotado. Cabe assim um estudo individualizado, para cada projeto o tipo de tratamento mais indicado, sendo que o mesmo deve atender às recomendações da NBR 15527 (ABNT, 2007).
Para Tomaz (2001), o consumo médio de água para escolas e universidades varia de 10 a 50 litros/dia por aluno, e 210 litros/dia por empregado, sendo que este consumo é distribuído em diversos usos, variando conforme a tipologia da edificação. Com relação ao consumo de água nas áreas externas, como pisos e jardins, pode-se admitir um consumo de 3 L/m²/dia nos jardins, e para a lavagem dos pisos 4 L/m²/dia. Quanto à frequência desses consumos, são estimadas que essas atividades externas ocorram só oito dias por mês (PHIILIPPI et al., 2006).
O Instituto Mineiro de Gestão das Águas – IGAM (2015) publicou as Portarias n° 13, 14 e 15 de 2015, que declaram situação de escassez hídrica nas porções hidrográficas que abrangem a Região Metropolitana de Belo Horizonte (RMBH); foi avaliado que nesses locais há riscos acima de 70% de não atendimento aos usos de recursos hídricos estabelecidos até o final do período seco.
No Centro Universitário Metodista Izabela Hendrix (CEUNIH), localizado em Belo Horizonte (MG), circulam, em média, cerca de 6 mil pessoas por dia, sendo aproximadamente 560
funcionários. Supondo um consumo de 10 litros/dia por aluno (TOMAZ, 2001), resultaria em um gasto total de 172.000 litros/dia de água. Dado o cenário de carência hídrica na RMBH e o provável grande consumo de água tratada no Campus Praça da Liberdade do CEUNIH, neste trabalho é proposto um projeto de captação e aproveitamento de água pluvial para esta localidade.
2 Aproveitamento de água de chuva
Para Peters (2006), o aproveitamento de água de chuva está sendo implantado para diminuir o problema da escassez, reduzir o consumo de água potável e do custo de fornecimento da mesma, além de contribuir com o desenvolvimento sustentável no consumo de recursos hídricos. A implantação de sistemas de captação de águas pluviais envolve a determinação de dados como: precipitação média do local, área de captação, coeficiente de escoamento superficial, qualidade da água, elaboração de projetos dos reservatórios e de sistemas complementares, identificação dos usos da água e o estabelecimento do tipo de tratamento a ser aplicado às águas pluviais. Assim, cada sistema deve ser projetado para condições específicas do local a ser implantado (TOMAZ, 2003).
Segundo Silva (2004), a configuração básica de um sistema de aproveitamento de água pluvial consta da área de captação (telhado, laje), dos sistemas de condução de água (calhas e condutores), da unidade de tratamento da água (reservatório de autolimpeza, filtros, desinfecção) e do reservatório de acumulação. Podem ainda ser necessários itens complementares, como uma tubulação de recalque, um reservatório superior e uma rede de distribuição.
2.1 Dimensionamento do sistema de captação e aproveitamento de água pluvial
2.1.1 Área de captação
Segundo May (2004), a área de captação é um fator que influencia diretamente na eficiência do sistema, pois é a partir dela que se determina a quantidade de chuva que pode ser
armazenada. Para Tomaz (2003), geralmente a captação é feita nos telhados ou lajes, podendo ser os mesmos de diversos materiais.
2.1.2 Calhas e Condutores
As calhas e condutores devem atender a NBR 10844 (ABNT, 1989). A mesma define calha como “canal que recolhe a água de coberturas, terraços e similares e a conduz a um ponto de destino”. Apresentam geralmente as seções em forma de V, U, semicircular, quadrada ou retangular.
Já em relação aos condutores, a NBR 10844 (ABNT, 1989) define condutor horizontal como “canal ou tubulação horizontal destinada a recolher e conduzir águas pluviais até locais permitidos pelos dispositivos legais”. Já o condutor vertical é a “tubulação vertical destinada a recolher águas de calhas, coberturas, terraços e similares e conduzi-las até a parte inferior da edificação”.
2.1.3 First Flush ou carga de lavagem
De acordo com Tomaz (2001), após três dias de seca, vão-se acumulando nos telhados poeiras, folhas, detritos, etc., e é aconselhável que esta primeira água de chuva seja descartada (first flush ou carga de lavagem). As pesquisas feitas mostram que o first flush varia de 0,4 L/m² de telhado a 8 L/m² de telhado conforme o local. Na falta de dados locais, o autor sugere o uso do first flush no valor de 2 L/m² de área de telhado.
2.1.4 Reservatório
Os reservatórios devem atender à NBR 12217 (ABNT, 1994). Silva (2004) diz que o reservatório a ser utilizado para o armazenamento de aproveitamento de água de chuva deve ser dimensionado corretamente para atender a demanda de consumo na maior parte do tempo, usando o mínimo da água tratada ao fim para o qual foi implantado. Os reservatórios devem
ter a manutenção necessária, conforme a NBR 5626 - Instalação predial de água fria (ABNT, 1998).
2.2 Métodos de dimensionamento dos reservatórios
Para determinação do dimensionamento do volume do reservatório, a norma NBR 15527 (ABNT, 2007) sugere em seu anexo seis métodos: de Rippl, da simulação, Azevedo Neto, prático alemão, prático inglês e prático australiano.
Para o método de Rippl, o volume de água de chuva que escoa pela superfície de captação é subtraído da demanda de água pluvial em um mesmo intervalo de tempo; a máxima diferença acumulada positiva é o volume do reservatório (MIERZWA et al., 2007). Este método utiliza parâmetros como área de captação, demanda e precipitação anual.
O Método da Simulação baseia-se na determinação do percentual de consumo que será atendido em função de um tamanho de reservatório previamente definido. Inicia-se o dimensionamento calculando-se o volume de água pluvial no tempo t e o volume de água pluvial no reservatório no tempo t, até que a condição V ≥ S(t) ≥ 0 seja satisfatória (RUPP; MUNARIM; GHISI, 2011).
Já o método Azevedo Neto exige somente os valores de precipitação média anual, número de meses com pouca chuva ou seca e área de captação em projeção. Da mesma forma, para o método Prático Alemão, somente são necessários os valores do volume de água pluvial anual e da demanda anual de água pluvial. No caso do método Prático Inglês, são necessários somente os valores de precipitação média anual e da área de captação em projeção (VERÇOSA, 2014).
No último método sugerido pela NBR 15527 (2007), Prático Australiano, o cálculo do volume do reservatório é realizado por tentativas, até que seja alcançado um valor dentro de um intervalo de confiança de 90% a 99%. Conforme Austrália (2004), quando o reservatório representar a única fonte de abastecimento de água, deverá ser calculada a capacidade
necessária para assegurar que o volume de água coletado e armazenado seja suficiente para atender à demanda durante todo o ano, inclusive durante os períodos de baixa ou nenhuma precipitação.
2.3 Qualidade da água
Existem diversas formas de tratamento da água coletada, desde simples filtragem até tratamentos mais específicos, variando em função da qualidade que se deve atender, não sendo o foco deste trabalho o detalhamento do tipo de tratamento que deve ser adotado. Cabe assim um estudo individualizado, para cada projeto o tipo de tratamento mais indicado, sendo que o mesmo deve atender às recomendações da NBR 15527 (ABNT, 2007).
3 Metodologia
O presente trabalho tratou de uma pesquisa de natureza aplicada, objetivando a solução do problema da escassez de água e consequente economia do recurso. Este estudo foi realizado na Região Metropolitana de Belo Horizonte, Minas Gerais. A instituição de ensino objeto de estudo foi o CEUNIH – Campus Praça da Liberdade, localizado na Rua da Bahia, 2020, no bairro de Lourdes.
Os dados disponibilizados pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) foram utilizados para análise do regime de precipitação na região de Belo Horizonte. A estação de monitoramento tem o código 83587 e está localizada na Avenida Raja Gabaglia, na Região Centro-Sul da capital mineira, em latitude - 19.934167º, longitude - 43.952222º e altitude de 915 metros.
De acordo com essa estação de monitoramento, o município apresenta precipitação média anual de 1527mm. Ao analisar a intensidade pluviométrica média mensal para a série histórica de 1910 até 2015 da área avaliada neste estudo, verificou-se que a época chuvosa e a de estiagem são bem caracterizadas: a primeira entre os meses de outubro e março e a segunda, entre os meses de abril e setembro (Figura 1).
Figura 1 - Intensidade pluviométrica média mensal Belo Horizonte - Código 83587 (1910 a 2015).
Fonte: Elaborado pelos autores (2016).
Com base na metodologia preconizada na NBR 15527 (ABNT, 2007) e na avaliação de dados da planta da edificação, foram estabelecidos os critérios para o dimensionamento do reservatório, como área de captação, demanda de água pluvial que poderá ser aproveitada e volume do reservatório.
De posse dos projetos das edificações do campus, foi estabelecido que a área de captação seria a cobertura de um de seus edifícios, o denominado Prédio I. Tal área possui configuração retangular de escoamento superficial em “quatro águas”. Além disso, trata-se de um ponto elevado do campus e está em um local que facilita o abastecimento por gravidade para os demais prédios. Para o estudo em questão, foram considerados 25% da área do telhado, totalizando uma área de captação de aproximadamente 301m².
Para cada um dos métodos, utilizou-se a demanda mensal de 6m³ e coeficiente de escoamento superficial igual a 0,80, conforme recomendado pela NBR 15527 (ABNT, 2007). A partir destes dados, foi calculado o volume do reservatório, assim como foram também dimensionados os demais componentes do sistema de captação de água pluvial, como calhas e condutores, seguindo a NBR 10844 (ABNT, 1989). Por conseguinte, também foi possível determinar o potencial de economia que pode ser gerado pelo sistema. Tal economia, de acordo com Tomaz (2003), pode chegar a 30%.
Segundo a NBR 15527 (ABNT, 2007), os padrões de qualidade devem ser definidos pelo projetista de acordo com a utilização prevista. Para o estudo em questão, adotar-se-ia descarte de 2 mm de first flush, um filtro autolimpante e um sistema de retenção de sólidos suspensos na entrada no reservatório para que todos os parâmetros exigidos na norma fossem atendidos.
4 Resultados e discussão
Em um sistema de captação e aproveitamento de água de chuva para fins não potáveis, o reservatório de armazenamento é geralmente o componente mais oneroso do sistema (AMORIM; PEREIRA, 2008). Por esse motivo, recomenda-se analisar os métodos de dimensionamento, para então projetar a solução técnica mais adequada para cada caso.
Abaixo, na Tabela 1, estão expostos os resultados dos dimensionamentos dos reservatórios de água pluvial calculados pelos diferentes métodos apresentados na NBR 15527 (ABNT, 2007). Tabela 1 - Capacidades dos reservatórios dimensionados pelos diferentes métodos para o CEUNIH.
Método Capacidade do reservatório (m³)
Rippl 9,85 Simulação 10,00 Azevedo Neto 115,80 Prático Alemão 2,16 Prático Inglês 22,98 Prático Australiano 77,57
Fonte: Elaborado pelos autores (2016).
Conforme relatado por Tomaz (2003), a análise pelo método de Rippl possibilita dimensionar os reservatórios de água pluvial somente quando há diferença positiva entre o volume e a demanda de água pluvial, ou seja, quando em algum momento do período analisado a demanda supera o volume (RUPP; MUNARIM; GHISI, 2011). Amorim e Pereira (2008) comentam que Rippl é um dos métodos mais comentados pela bibliografia atual, porém, por ter sido desenvolvido inicialmente para a regularização de grandes vazões, geralmente resulta em grandes reservatórios.
Segundo Tomaz (2003), uma característica do método da Simulação é que ele possibilita determinar a eficiência do sistema, pois os períodos em que o reservatório está
suficientemente abastecido com água pluvial são relacionados com todo o período simulado. Conforme observado no dimensionamento, para aplicação deste método, fixou-se um volume de 10m³ de reservatório, valor razoável, que atendeu à demanda de água pluvial em todos os meses do ano, com exceção do mês de julho, não sendo necessário suprimento de água externo. É um método interessante, pois possibilita a escolha pelo projetista do volume desejado em função da confiança necessária. Este método sobressai-se perante os demais pelo fato de realizar um tratamento minucioso dos dados pluviométricos, trazendo, portanto, resultados mais ponderados às condições locais do CEUNIH.
Os métodos de dimensionamento que simulam continuamente o comportamento de um reservatório trazem melhores aproximações acerca do desempenho deste e também sobre o tempo de retorno do investimento realizado, mesmo em sistemas mais complexos (WARD; MEMON; BUTLER, 2012).
Verçosa (2014) explica que o Método Azevedo Neto, também intitulado Método Prático Brasileiro (AMORIM; PEREIRA, 2008), dimensiona um reservatório que fica subutilizado uma boa parte do ano, apesar de proporcionar uma boa possibilidade de captação de água nos primeiros e nos últimos meses do ano. Isso acontece porque tal método não leva em conta a demanda de água potável utilizada. Quando em condições de alta precipitação, e pouca demanda, também pode superdimensionar o reservatório.
No que se refere ao método Prático Inglês, o mesmo leva em conta somente a precipitação média anual e a área de captação, não contemplando a demanda de água potável. Por este motivo, gera volumes de reservatório diretamente proporcionais à precipitação anual das regiões, o que pode trazer problemas de insuficiência de armazenamento nos períodos de seca (COUTINHO et al., 2011).
Segundo a NBR 15527 (ABNT, 2007), o método Prático Alemão trata-se de um método empírico, segundo o qual se toma o menor entre os seguintes valores para o volume do reservatório: 6% do volume anual de consumo ou 6% do volume anual de precipitação aproveitável. Sua aplicação para situações onde a demanda é muitas vezes superior ao volume
captável de chuva, pode induzir a resultados insatisfatórios do ponto de vista de atendimento ao consumo (COUTINHO et al., 2011). Analisando o dimensionamento, foi o que resultou no menor volume de reservatório, devido ao fato de este método utilizar a demanda anual de projeto, ou o volume anual captado para estimar o volume de reservação.
O método Prático Australiano exige que o reservatório garanta o atendimento em 90% do tempo. Seu cálculo é realizado por tentativas, até que sejam utilizados valores otimizados de confiança e volume do reservatório. Esse incremento deve-se à diminuição do volume de água pluvial que entra no sistema, uma vez que a demanda ao longo do ano permanece constante (SOUZA; MUMBACH, 2013).
Os métodos Práticos Alemão, Inglês e Australiano são métodos que resultam em valores superficiais, pois, provavelmente, foram desenvolvidos em regiões com índices pluviométricos muito diferentes das regiões do estudo em questão (VERÇOSA, 2014).
Os autores citados, que compararam os métodos de dimensionamento, tomaram como estudo de caso apenas uma localidade cada um. Assim, suas conclusões a respeito do desempenho de cada método são aplicáveis apenas para um regime de precipitação específico.
Em relação às calhas e condutores, tais componentes foram dimensionados a partir da NBR 10844 (ABNT, 1989). Para ambos, foi utilizado o coeficiente de rugosidade segundo
Manning de 0,011, conforme indicado pela norma. As tubulações foram dimensionadas para
duas prumadas, o que atende perfeitamente às dimensões do reservatório.
Tabela 2 - Dimensionamento de calhas e condutores segundo a NBR 10844 (ABNT, 1989).
Calhas Condutores
Tipo Retangulares Circulares
Dimensão 20 x 15cm Diâmetro 10mm
Inclinação 4% 4%
Vazão 0,012 m³/s 0,010 m³/s
5 Considerações finais
No que se refere aos métodos de dimensionamento de reservatórios para acumulação de água pluvial, o Método da Simulação permite que o usuário realize a simulação de volumes até que se chegue à eficiência desejada para o sistema. Neste contexto, tal método mostrou-se o mais apropriado, já que o volume fixado para o reservatório atenderá toda demanda de água pluvial necessária (6 m³ mensais, ou seja, 200L de água disponíveis diariamente).
Baseado nos resultados encontrados, a implantação de um sistema de aproveitamento de água pluvial trará resultados efetivos para o CEUNIH, uma vez que o reservatório dimensionado seria capaz de atender toda demanda de irrigação dos jardins do campus, durante todo ano. Tendo em vista o cenário atual de escassez da água, projetos de aproveitamento de água de chuva se apresentam como uma boa alternativa para redução do consumo deste recurso, colaborando para o desenvolvimento sustentável e contribuindo para a diminuição do custo de fornecimento da mesma.
Todavia, estudos econômicos devem ser realizados para analisar a viabilidade de implantação desse sistema em face do tempo necessário para amortização do investimento financeiro. Tomaz (2011) estima que o período de retorno (paybak), de modo geral, é menor que 5 anos, o que torna-se uma alternativa viável na maioria dos casos.
Development of rainwater harvesting system for non-potable purposes – Case study of campus Praça da liberdade of Methodist University Center Izabela Hendrix (Belo
Horizonte / MG) Abstract
Taking into account the current scenario of water scarcity, especially in southeastern Brazil, it grows the search for a rational use of these resource systems. The use of rainwater is an important way for promoting sustainable development; besides reducing the consumption and the cost of drinking water, still contributes to a better distribution of rainwater in urban drainage system. Given the scenario of water scarcity in the Metropolitan Region of Belo Horizonte (Minas Gerais State, Brazil) and the likely large consumption of treated water at Campus Praça da Liberdade of the Methodist University Center Izabela Hendrix (CEUNIH), it was proposed a rainwater harvesting system for this location following the guidelines of Brazilian standard NBR 15527/2007. The deployment of this type of system involved
determining data as average rainfall values, catchment area, runoff coefficient, water quality, identification of water use and establishment of the type of treatment to be applied to rainwater. It was observed that some methods suggested by the standard are not suitable for certain conditions of precipitation. The so-called Simulation Method was considered the most appropriate, as it allows the user to perform the simulation of reservoir volumes until it reaches the desired efficiency for the system. Based on these results, the implementation of a rainwater harvesting system would bring effective results in terms of reducing consumption of treated water for the CEUNIH, since the designed reservoir would be able to supply the entire demand of campus related to the irrigation of gardens.
Keywords: Water. Rainwater harvesting. Non-potable purposes.
Referências
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