XXIII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HIDRÍCOS
INFLUÊNCIA DA DEMANDA E DA ÁREA DE CAPTAÇÃO NO DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS DE ÁGUA DE CHUVA EM
REGIÕES SEMIÁRIDAS
Cinthya Santos da Silva 1 ; Gilson Barbosa Athayde Júnior 2 ;& Tássia dos Anjos Tenório de Melo 3
RESUMO – Preocupações com o gerenciamento do uso da água ganham cada vez mais destaque, e pesquisas que buscam fontes alternativas de captação deste recurso surgem constantemente no meio científico; entre elas o uso de água da chuva para consumo humano. Os métodos usualmente aplicados se baseiam em balanços hídricos, mas desconsideram, por muitas vezes, a análise otimizada dos valores de área de captação e demanda para determinação do volume de armazenamento que proporcione a melhor eficiência do sistema. Nesse sentido o volume de água realmente aproveitada na edificação pode ser determinado de forma equivocada, o que resulta num cálculo do tempo de retorno do investimento diferente do real. Este trabalho objetiva analisar como a variação da demanda e área de captação impactam no volume de água aproveitável, armazenado no sistema após os transbordamentos, considerando as características pluviométricas da região semiárida brasileira, e reservatórios com volumes pré-determinados de 5m³, 10m³, 20m³ e 30m³. Após análise considerando três diferentes padrões de consumo, e três diferentes áreas de captação para cada padrão; observou- se que a partir determinados volumes de reservatório, a variação da área de captação e demanda, tem pouca influência no volume de água aproveitável pelo sistema de captação e armazenamento de água de chuva, principalmente para altos valores de consumo.
Palavras-Chave – Água de Chuva. Semiárido. Reservatório.
INFLUENCE OF DEMAND AND THE CATCHMENT AREA IN THE SIZE OF RAINWATER RESERVOIRS IN SEIMI-ARID REGIONS
ABSTRACT– Concerns about the management of water use are becoming more prominent, and researches seeking alternative sources of this resources are constantly emerging in the scientific Community; among them, the use of rain water for human consumption. The methods usually applied are based on hydric balances, but often disregard the optimized analysis of the catchment area and demand values to determine the storage volume which could provide the best efficiency of the system.
In this sense, the volume of water actually used in the edification can be determined in the wrong way, which results in a calculation of the time of return of the investment other than the real. This work analyze how the variation of demand and catchment area has impact on the volume of usable water stored in the system after the overflows, considering the rainfall characteristics of the Brazilian semiarid region, and reservoirs with predetermined volumes of 5m³, 10m³, 20m³ and 30m³. After analysis considering three different consumption patterns, and three different catchment areas for each pattern; It was observed that from certain reservoir volumes, the variation of catchment area and demand has little influence on the volume of water usable by the rainwater collection and storage system, especially for high consumption values.
Keywords – Rain water. Semi-arid. Reservoir.
1)Professora do Instituto Federal de Educação Tecnológica da Paraíba – IFPB, Cajazeiras, Paraíba – santosscinthya@gmail.com.
2) Professor da Universidade Federal da Paraíba – UFPB, João Pessoa, Paraíba - gbathayde@yahoo.com.br
INTRODUÇÃO
O Brasil possui uma das maiores reservas de água doce do mundo, um total de 11% no que se refere ao volume mundial e 50% ao da América Latina (TUCCI et al., 2001). Este volume, porém, não é distribuído de forma homogênea no território nacional, o que proporciona pontos críticos para um abastecimento pleno da população, seja para consumo doméstico, industrial ou agropecuário.
Dessa forma, soluções mitigadoras devem ser propostas e estudadas, e a utilização da água de chuva é considerada como uma das alternativas na promoção do uso sustentável da água (CNRH, 2016). A difusão do uso de água de chuva para abastecimento já é uma realidade em países como a China, através do projeto de cisternas 1-2-1, o qual impulsionou a retirada de 1.300.000 pessoas da linha de pobreza, graças a um sistema de cisternas para armazenamento das águas pluviais e, posteriormente, destinadas para irrigação no estado de Gansu (GNADILINGER, 2001).
A disponibilidade hídrica para utilização da água da chuva no abastecimento é condicionada as características climáticas do país, que no caso do Brasil apresenta grande variabilidade entre as regiões; fator que deve implicar em diferentes considerações quanto ao cálculo do volume realmente aproveitável da água captada no sistema.
A norma brasileira, NBR 15527 (ABNT, 2007), apresenta 6 metodologias de dimensionamento;
2 balanços hídricos e 4 métodos práticos, porém apesar das diferenças em suas metodologias, todos baseiam-se na área de captação do sistema, ou seja, na área destinada a captação da água que será armazenada para posterior consumo.
Grandes áreas de captação resultam em grande potencial de armazenamento; não existe, entretanto, em balanços hídricos, correlação entre a área de captação e demanda, o que pode implicar em reservatórios sub ou superdimensionados.
Diante do exposto é fundamental uma análise de como os parâmetros de entrada, área de captação e demanda, afetam o volume do reservatório calculado para as metodologias de dimensionamento existentes. Desta forma, este trabalho objetiva analisar como a variação da demanda e área de captação impactam no volume de água aproveitável, armazenado no sistema após os transbordamentos, considerando as características pluviométricas da região semiárida brasileira.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Desigualdades sociais e regionais são facilmente associadas à carência no acesso aos serviços
básicos, a exemplo do abastecimento de água (NOGUEIRA, 2017). Seja em regiões historicamente
secas, como o semiárido brasileiro, ou em grandes cidades, é um fato que a população mais atingida
com a falta deste recurso é a mais pobre.
Não se pode limitar, entretanto, a causa dos problemas de abastecimento ao consumo doméstico, quando na verdade o setor agropecuário é o responsável pela maior parcela de consumo de água potável no país, se destinando ao abastecimento urbano apenas 8,8% do volume de água
A água da chuva com um tratamento mínimo, através de filtração e descarte dos primeiros volumes, pode ser utilizada para fins não potáveis, seja para uso doméstico, como descarga em bacias sanitárias; industrial, em processos produtivos; ou na irrigação de plantações.
A finalidade a qual se destina a água pluvial armazenada, deve determinar diferentes abordagens dos métodos de dimensionamento do reservatório. Em edificações de usos industriais, por exemplo, geralmente são adotadas grandes áreas de captação pluvial, que quando do uso de metodologias baseadas em balanços hídricos, resultam em uma elevada capacidade de recolhimento de água, por vezes, superior à demanda realmente necessária (MIERZWA et al., 2007).
Surge então a necessidade de análise dos parâmetros empregados nas metodologias de dimensionamentos, garantindo que o volume armazenado corresponde aquele que proporcionará o melhor uso do sistema.
Utilização da água da chuva
Sistemas de captação de água da chuva são utilizados desde a antiguidade clássica; como dispositivos observados na Roma Antiga no ano de 2000 a.c. (MAY, 2004).
Podem ser enquadrados como um mecanismo para redução das desigualdades sociais, a exemplo do caso do estado de Gansu na China, que desde a década de 90 capta água em telhados e lajes construídas no terreno da residência, e a armazena em cisternas para utilização na irrigação em períodos de estiagem; e o que resultou na retirada de mais de 1 000 000 de pessoas da linha de pobreza (GNADILINGER, 2001).
Sua implantação reduz ainda o volume de águas pluviais lançado na rede de drenagem urbana;
categorizando o sistema como uma medida de drenagem estrutural (AMORIM e PEREIRA, 2008).
A NBR 15527, ABNT (2007), indica o uso de água da chuva para fins não potáveis, porém após tratamento adequado, que garanta o alcance dos padrões de potabilidade exigidos para fins potáveis; a água da chuva pode ter finalidades mais nobres, como a ingestão humana.
A viabilidade do uso de água da chuva em diferentes condições pluviométricas é validada em
diversos estudo, que defendem, por exemplo, a hipótese de uso de água da chuva como uma
alternativa para adaptação às mudanças climáticas; através da correlação do histórico das mudanças
climáticas na Índia com a existência de sistemas de armazenamento em sítios arqueológicos datados
da época de eventos extremos (PANDEY et al., 2003). Ideia semelhante é defendida para a África do
Sul, onde os autores sugerem o uso de sistemas de captação de água da chuva para consumo doméstico como medida para a adaptação às mudanças climáticas (KAHINDA et al 2010).
No Brasil, podem-se encontrar casos de utilização de água da chuva com o objetivo de melhorar as condições de vida da população que reside em locais com oferta de recursos hídricos deficiente;
como o Programa Um Milhão de Cisternas (P1MC), objetivando a descentralização e democratização do uso da água, (ASA, 2003). Criado em 2003 pela Articulação do Semiárido Brasileiro, o programa tem o intuito de construir 1 milhão de cisternas no semiárido brasileiro, região historicamente assolada por longos períodos de estiagem. O programa propõe a construção de cisternas com capacidade de armazenamento de 16.000 litros, possuindo como base de cálculo a demanda de uma família média de cinco pessoas em um período de 280 dias (SOARES JUNIOR e LEITÃO, 2017).
A imposição de um volume, entretanto, para usuários com demandas diferentes e capacidades de captação diferentes, implica em uma ineficiência do sistema em certos casos; para o caso dos reservatórios do P1MC, por exemplo, estudo analisou a confiabilidade destes e apontou que melhores resultados seriam alcançados com a utilização de volumes adaptados às particularidades de cada família (SILVA e ORRICO, 2015).
Sistemas de captação de água de chuva
Os diferentes componentes do sistema de captação e armazenamento de água de chuva podem ser classificados conforme o quadro 1 (KIPERSTOK et al., 2008).
Quadro 1 –Componentes do sistema de captação e armazenamento de água de chuva.
Dispositivo Utilização Particularidades
Superfície de captação
Superfície na qual a água será captada (telhado, laje impermeabilizada, etc.).
Pode ser composta por diferentes materiais e está diretamente relacionada ao volume de água captado.
Calhas e
tubulações
Conduzem a água da superfície de captação ao reservatório de acumulação.
A NBR 15527 (ABNT, 2007) determina a instalação de dispositivos, como telas e grades, para a remoção de detritos; além da instalação de dispositivos para descarte das primeiras águas, que são as utilizadas para a lavagem da superfície de captação.
Tratamentos Responsáveis pela remoção dos sólidos e desinfecção da água.
O tratamento das águas pluviais
captadas para uso humano, mesmo o
não potável, deve ser obrigatório,
devido risco de contaminação desta
durante o escoamento na superfície de
captação (SARUBO et al., 2010).
A NBR 15527 (ABNT, 2007), estabelece que os padrões de qualidade desejados para a água ficam a critério do projetista das instalações.
Bombas
Responsável pela elevação da água captada de uma cota para outra superior.
Utilizados apenas em situações em que a cota de utilização da água é superior ao nível de água no reservatório de acumulação.
Reservatório Dispositivo de armazenamento da água captada pelo sistema.
Representa o ponto mais oneroso na instalação do sistema de águas pluviais (KIPERSTOK et al., 2008).
Fonte: Adaptado de Kiperstok et al., 2008.
METODOLOGIA
Para desenvolvimento deste trabalho, primeiramente foi selecionada a área de estudo; no caso, a cidade de Irecê (BA), localizada no semiárido nordestino (figura 1). Esta foi escolhida por apresentar características pluviométricas, intensidade e distribuição, específicas, com chuvas concentradas em poucos meses do ano, seguidas por longos períodos de estiagem.
Figura 1 - Localização da área de estudo, cidade de Irecê no estado da Bahia. Fonte: Bahia.ws (2019).
Determinada o local de estudo, foram obtidos os dados de precipitação, tanto mensais quando
diários, coletados na base de dados BDMEP do INMET. Foram, aqui, estudadas séries históricas de
25 anos, entre 1990 e 2014; período este que foi escolhido em função da disponibilidade dos dados.
Para dimensionamento do reservatório, optou-se por um balanço hídrico, o que possibilitou a análise da variação do volume armazenado, através da variação da oferta. Tal método se constitui em um balanço de massa entre o volume de água captado e o volume de água consumido (Equação 1).
𝑆 (𝑡) = 𝐷 (𝑡) − 𝑄 (𝑡) (1) Onde:
S(t) é o volume de água no reservatório no tempo t;
Q(t) é o volume de água aproveitável no tempo t;
D(t) é a demanda ou consumo no tempo t;
Para a determinação do consumo foi considerada uma demanda doméstica, para utilização da água da chuva em atividades que não exigem potabilidade da água; com três padrões de consumo distintos; popular, médio e alto (DIAS, 2007), 110L/had. dia, 142 L/hab. dia e 172,83 L/hab. dia, respectivamente. Para todos os padrões foram consideradas 4 pessoas por unidade habitacional.
Para cálculo do volume de água aproveitável é necessária a informação da área de captação e do coeficiente de escoamento superficial, para minoração do volume que entrará no sistema; além da altura pluviométrica. Considerou-se um coeficiente de escoamento superficial de 0,85; o que considera superfície de captação em telha de fibrocimento ou cerâmica e já inclui a minoração do volume de água descartada no primeiro fluxo como recomenda (TOMAZ, 1997).
Com relação a área de captação, para cada padrão de consumo considerado foram arbitradas três áreas de captação diferentes, a fim de se analisar o impacto desta variação no volume de água aproveitável a ser captada pelo sistema.
Todos os dados foram trabalhados no período de janeiro de 1990 a dezembro de 2014, perfazendo 25 anos de séries mensais.
A influência da variação da área e da demanda no volume de água armazenada, foi determinada através da análise do volume de água aproveitado no sistema; considerando o que foi consumido, o que transbordou, a depender do volume do reservatório adotado, e o que foi realmente armazenado;
este foi calculado para cada ano com base de dados mensais pela equação 2.
𝑉𝑎𝑝 = 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎(𝑎𝑐) − 𝑉(𝑡𝑟𝑎𝑛) (2)
Onde:
Vap é o volume de água aproveitado em um ano
Entrada(ac) é a valor de água captado acumulado ao longo do tempo de estudo, neste caso o ano.
V(tran) é o valor de água transbordado em cada reservatório durante o ano.
Para este estudo foram considerados quatro reservatórios diferentes com volumetria pré- definida em 5m³, 10m³, 20m³ e 30m³; e para cada um destes foi analisado o volume aproveitável, em cenários com os três padrões de consumo considerados, e três áreas de captação distintas para cada consumo.
Por fim, foi analisado como a variação do consumo e da área de captação, impactou no volume de água aproveitável, em cada reservatório considerado.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os volumes aproveitáveis calculados para cada padrão de consumo, aqui estipulados em popular, médio e alto, estão apresentados nas figuras 2 a 4, respectivamente. A variação do volume em cada situação pode ser analisada paralelamente a variação da área de captação; sendo esta a responsável pela quantidade de água a ser absorvida pelo sistema.
Figura 2 – Variação do volume de água aproveitável para demanda de 110L/hab.dia, para cidade de Irecê (BA). Fonte:
Autores (2019).
Para o padrão popular foram analisadas áreas de captação entre 50 e 70m² (figura 2), e pode-se observar que a variação do volume aproveitável, para cada reservatório considerado, ocorre de forma crescente. Quanto maior a área de captação, maior o volume de água da chuva que entra no sistema;
e quanto maior o reservatório, menor o volume transbordado e consequentemente, maior o volume aproveitável.
Observa-se porém, que para áreas entre 50 e 55m², não há diferença significativa no volume aproveitável para os reservatórios de 20 e 30m³; fator que pode ser justificado pela baixa entrada de água no sistema, quando consideradas conjuntamente uma baixa área de captação e baixa pluviosidade, característica da área em estudo; associado à grandes capacidades de armazenamento.
50 55 60 65 70
90 95 100 105 110 115 120 125 130 135
Vol u m e a p ro v e it á v e l
Área de captação 5m³
10m³
20m³
30m³
Figura 3 – Variação do volume de água aproveitável para demanda de 142L/hab.dia, para cidade de Irecê (BA). Fonte:
Autores (2019).
Para um consumo de 142L/hab.dia (figura 3), a diferença entre os valores de volume aproveitável, calculados para cada reservatório em determinada área de captação, são mais consideráveis que para o consumo de 110L/hab.dia; sendo maiores as diferenças entre os reservatórios de 5 e 10m³.
Um aumento no consumo implica em um menor volume armazenado do tempo t para o tempo t+1, logo o saldo positivo no reservatório é decrescente, assim como o transbordamento, para idênticas condições de precipitação e área de captação.
Figura 4 – Variação do volume de água aproveitável para demanda de 172,83L/hab.dia, para cidade de Irecê (BA).
Fonte: Autores (2019).
Para grandes consumos e reservatórios de 5m³ o volume aproveitável sofre pouca variação com o aumento da área de captação; isto se justifica na análise da distribuição pluviométrica da região do
80 90 100 110 120
135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215
Vol u m e a p ro v e it á v e l
Área de captação 5m³
10m³ 20m³ 30m³
140 160 180 200 220 240 260 280 300 320
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420
