Estudo de bacias de retenção como estruturas de controle de cheias

CARINE OTT DIAS

ESTUDO DE BACIAS DE RETENÇÃO COMO ESTRUTURAS DE

CONTROLE DE CHEIAS

Ijuí 2019

ESTUDO DE BACIAS DE RETENÇÃO COMO ESTRUTURAS DE

CONTROLE DE CHEIAS

Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.

Orientador: Prof. Drº Giuliano Crauss Daronco

Ijuí /RS 2019

ESTUDO DE BACIAS DE RETENÇÃO COMO ESTRUTURAS DE

CONTROLE DE CHEIAS

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.

Ijuí, 01 de julho de 2019

Prof. Drº Giuliano Crauss Daronco Doutor pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Orientador Prof.ª Lia Geovana Sala Coordenadora do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ

BANCA EXAMINADORA Prof. Drº Giuliano Crauss Daronco (UNIJUÍ) Doutor pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Joice Viviane de Oliveira (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal do Rio de Janeiro

Expresso aqui meus agradecimentos por toda a ajuda recebida durante o curso de graduação:

Aos professores do curso de Engenharia Civil da UNIJUÍ, pelos quais tenho admiração e privilégio em ter sido aluna; por todo conhecimento e experiências transmitidas a mim durante o curso;

Ao Escritório de Relações Internacionais da UNIJUÍ e a FEUP (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto) pela oportunidade de intercâmbio o qual muito contribui para crescimento acadêmico e serviu de inspiração para a elaboração deste trabalho;

Aos poucos, mas verdadeiros amigos que fiz durante os cinco anos de graduação: engenheiros e futuros engenheiros cuja dedicação e capacidade são admiráveis; porvindouros colegas de profissão pelos quais torço pelo sucesso e sei que por mim desejam o mesmo;

A toda minha família pelo suporte e incentivo, do Brasil e de Portugal. Em especial agradeço as minhas melhores amigas: minha irmã gêmea Carol, por entender todas as horas que estive ausente para dedicação acadêmica e minha mãe, por todo o amor e carinho expressados de todas as formas possíveis.

Abrirei rios nas colinas estéreis e fontes nos vales. Transformarei o deserto num lago, e o chão seco em mananciais. Isaías 41:18

DIAS, O. C. Estudo de bacias de retenção como estruturas de controle de cheias. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2019.

O processo de urbanização afeta significantemente o ciclo hidrológico das bacias hidrográficas causando inundações em eventos de cheia ou precipitações intensas. Com o intuito de assegurar não só a proteção da população, mas também a proteção do meio ambiente, o planejamento da drenagem urbana aliado a medidas de engenharia é uma importante ferramenta no controle de eventos críticos como as inundações. O objetivo deste trabalho é demonstrar a utilização de bacias de retenção como estruturas de controle de cheias. A partir deste trabalho é possível compreender melhor esta medida estrutural de armazenamento, o seu planejamento e a realização dos estudos hidráulico-hidrológicos para a elaboração de projetos.

Palavras-chave: Sistemas sustentáveis de drenagem urbana. Gestão de águas pluviais. Amortecimento de caudal.

DIAS, O. C. Estudo de bacias de retenção como estruturas de controle de cheias. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2019.

The urbanization process significantly affects the hydrological cycle of the river basins causing floods in events of critical rainstorm or intense precipitations. In order to ensure not only the protection of the population but also the protection of the environment, urban drainage planning combined with engineering measures are an important tool in the control of critical events such as floods. The objective of this work is to demonstrate the use of retention basins as flood control structures. From this study it is possible to better understand this structural measure of storage, its planning and the accomplishment of the hydraulic-hydrological studies for the elaboration of projects.

Figura 1: Resumo esquemático do trabalho ... 17

Figura 2: Ciclo da água ... 19

Figura 3: Planta e seção transversal de uma bacia hidrográfica. ... 21

Figura 4: Regiões Hidrográficas do Brasil ... 22

Figura 5: Caracterização de hidrograma-tipo ... 23

Figura 6: Taxa de urbanização no mundo ... 27

Figura 7: Sub-bacia não urbanizada, pouco urbanizada e urbanizada. ... 29

Figura 8: Aumento do caudal de ponta com o crescimento da urbanização ... 30

Figura 9: Esquematização da urbanização e aumento no volume de cheia ... 33

Figura 10: Técnicas de solução para aumento de caudal pós-urbanização ... 37

Figura 11: Bacia de retenção em série (on-line) ... 40

Figura 12: Bacia de retenção em paralelo (off-line) ... 41

Figura 13: Bacia de retenção a céu aberto no Parque da Cidade do Porto ... 41

Figura 14: Bacia de retenção modular enterrada nos Estados Unidos da América ... 42

Figura 15: Bacia de retenção seca em Porto Alegre ... 43

Figura 16: Geometrias de bacias hidrográficas e respectiva influência nos caudais .... 46

Figura 17: Bacia de retenção de Fátima, localizada no trecho Porto-Lisboa ... 51

Figura 18: Bacia de retenção na freguesia de Alfena, distrito do Porto ... 52

Figura 19: Bacia de retenção no município de Guimarães ... 53

Figura 20: Bacia de retenção seca no Redfern Park, Minto- Sydney ... 54

Figura 21: Bacia de retenção Sydney Park, Sydney ... 55

Figura 22: Bacia de retenção enterrada em Tóquio ... 56

Tabela 1: Fases do desenvolvimento das águas urbanas ... 26

Tabela 2: Causas das cheias... 31

Tabela 3: Períodos de retorno usuais ... 47

Tabela 4: Valores médios do coeficiente C da fórmula racional – Áreas urbanas ... 48

Tabela 5: Valores médios do coeficiente C da fórmula racional – Áreas agrícolas ... 49

A Área da bacia

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas Ai Somatória das áreas impermeáveis

Ap Área da bacia com superfície permeável ASCE American Society of Civil Engineers

At Área total

C Coeficiente de escoamento superficial

CERTU Centre d’Etudes sur les Réseaux, les Transports, l’Urbanisme et les Constructions Publiques

Ci Coeficiente de escoamento da área impermeável Cp Coeficiente de escoamento de área permeável da bacia DEP Departamento de Esgotos Pluviais

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

ha Hectare

I Intensidade de precipitação

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IDF Intensidade, Duração e Frequência

JAE Junta Autónoma de Estradas km² Quilômetros quadrados LID Low Impact Development

m³ Metros cúbicos

Q Caudal de pico

SUDS Sustainable Urban Drainage Systems T Período de retorno

Tc Tempo de concentração

UNIJUI Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul WSUD Water Sensitive Urban Design

1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 PROBLEMA ... 15 1.1.1 Questões de Pesquisa ... 15 1.1.2 Objetivos de Pesquisa... 15 1.2 ESTRUTURA DO TRABAHO ... 16 2 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO ... 18 2.1 CONSIDERAÇÕES HIDROLÓGICAS ... 18 2.1.1 O ciclo hidrológico ... 19 2.1.2 Bacia hidrográfica ... 20 2.1.3 Escoamento superficial ... 22 2.1.4 Hidrograma de cheia ... 23 2.1.5 Período de retorno ... 24

2.2 PLANEJAMENTO DA DRENAGEM URBANA ... 24

2.2.1 Impactos da urbanização na bacia hidrográfica ... 28

2.3 ESTUDO DAS CHEIAS ... 30

2.3.1 As cheias urbanas ... 31

3 METODOLOGIA ... 34

4 RESULTADOS ... 36

4.1 MEDIDAS DE CONTROLE DE CHEIAS ... 36

4.2 AS BACIAS DE RETENÇÃO ... 38

4.2.1 Classificação ... 39

4.2.2 Dimensionamento ... 43

4.2.2.1 Hidrológico ... 44

4.2.2.2 Hidráulico ... 49

4.3 EXEMPLOS DE BACIAS DE RETENÇÃO JÁ IMPLANTADAS ... 51

5 CONCLUSÃO ... 58 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 59

1 INTRODUÇÃO

A importância da água é por todos reconhecida. A água é um fator essencial para o desenvolvimento socioeconômico de um país, devendo ser encarada como um recurso natural estratégico. Assim, torna-se necessário garantir seu uso eficiente, racional e moderado (BRASIL, Lei nº 9.433/1997).

Para que a água continue o seu ciclo natural, é indispensável que esse sistema não seja desequilibrado. O processo de urbanização é um agente que, aliado à impermeabilização do solo, contribui para que as variáveis hidrológicas sejam modificadas. Devido a diminuição do volume de água que chega ao solo, ocorre em conjunto a diminuição do volume de água infiltrada no solo, o que gera o aumento do escoamento superficial durante os períodos de chuva (POLETO, 2011).

Ainda segundo Poleto (2011), o cenário da urbanização promove também o aumento da velocidade da água e, consequentemente, aumenta o volume que chega aos pontos mais baixos da bacia hidrográfica, provocando inundações e outros problemas típicos dessa situação (erosões, enxurradas, alagamentos, desalojamento, doenças etc.). Esse problema provoca danos econômicos, ambientais e, principalmente, ameaça a vida de pessoas.

De acordo com o relatório publicado pela organização alemã Germanwatch (Harmeling e Eckstein, 2012), o Brasil é atualmente o sexto país do mundo que mais sofre com catástrofes climáticas. Os principais eventos climáticos extremos registrados no Brasil são as enchentes e alagamentos. Pelo menos mil pessoas morreram vítimas de enchentes e deslizamentos no Brasil só em 2011. Neste mesmo ano, os prejuízos possíveis somaram R$ 10 bilhões de reais (MORAIS, 2013).

Assim posto, uma forma de minimizar os efeitos da alteração da permeabilidade dos solos é o de atuar ao nível do escoamento superficial, tentando diminuí-lo e prolongá-lo no tempo. Numerosos fatores influenciam o volume do escoamento superficial, todavia, a bibliografia indica valores de pico de cheia 30% a 100% superiores em bacias hidrográficas urbanizadas em comparação com as situações de pré-urbanização (JACOBSON, 2011).

Com intuito de resolver tais problemas, recorre-se a métodos de gerenciamento da drenagem urbana com aplicação eficaz em países desenvolvidos. Métodos como o plano “Desenvolvimento de Baixo Impacto (LID)” do inglês (Low Impact Development)) e “Sistemas Sustentáveis de Drenagem Urbana (SUDS)” do inglês (Sustainable Urban Drainage Systems) são abordagens que lidam com a drenagem de águas pluviais. Esses sistemas ponderam necessidades futuras como a proteção dos recursos naturais, que podem ter forma estrutural -como os sistemas de retenção, ou não estrutural- como a limpeza de ruas (CANHOLI, 2014).

Segundo Canholi (2014), os planos de LID e SUDS apresentam algumas técnicas distintas, entretanto, visam atingir os mesmos objetivos. As técnicas de LID utilizam-se das ferramentas de planejamento de baixo custo, sendo realizado de forma prévia da urbanização e planejamento inteligente com base no controle da fonte (aplicam ao planejamento de novos sistemas de forma integrada). Já os SUDS atuam na correção e na prevenção dos problemas de drenagem, no qual as bacias de retenção se enquadram, como um dispositivo local.

Além das bacias de retenção, outros dispositivos podem ser citados com o intuito de atingir os mesmos fins: os pavimentos permeáveis; as trincheiras de infiltração; as valas de infiltração; os poços de infiltração; os telhados verdes e as faixas gramadas. Tais sistemas nomeados podem ser instalados em conjunto ou separadamente, de acordo com o projeto ou com as possibilidades locais, proporcionando uma boa relação custo-benefício, além dos ganhos sociais e ambientais (POLETO, 2011).

As áreas urbanas são os ambientes mais modificados pelo homem onde o processo de urbanização afeta todas as partes do ciclo hidrológico (SEMADENI-DAVIES et al. 2008). A urbanização promove a remoção da cobertura vegetal, aumentando o volume e a velocidade de escoamento das águas pluviais e, consequentemente, o risco de enchentes. Com o intuito de minimizar estas consequências, as ações relacionadas à drenagem urbana concentraram-se durante muito tempo, na execução de projetos e obras baseados na análise econômica de seus benefícios e custos.

A priorização da evacuação das águas pluviais em excesso das áreas urbanas da maneira rápida e com volumes elevados se mostra ineficiente para a resolução integral do problema. As melhores soluções para essas questões são alcançadas a partir de uma compreensão mais

incorporada do ambiente urbano e das relações entre os sistemas que o compõem. Em outras palavras, o conceito do que se entende por drenagem urbana passou o campo restrito da engenharia para se tornar um problema gerencial, com componentes políticos e sociológicos (TUCCI et al., 2013).

Inserido neste contexto, este trabalho procura mostrar a importância desta visão integrada apresentando uma solução alternativa aos sistemas convencionais de drenagem, priorizando principalmente a atenuação e o retardo do pico de vazão durante eventos pluviométricos de maior importância. Para isto, serão apresentados os conceitos essenciais para a compreensão da composição deste trabalho, ou seja, sobre o planejamento da drenagem, sobre as obras de retenção de águas pluviais e um breve estudo sobre métodos de dimensionamento hidrológico e hidráulico. 1.1 PROBLEMA

Uma vez que a ocupação humana e o processo de urbanização afetam a área da superfície terrestre com a impermeabilização do solo, essa, por sua vez, acarreta o aumento do volume e da velocidade do escoamento das águas pluviais e, consequentemente, o risco de enchentes. O problema, por conseguinte, se dá em torno do manejo dessas águas.

1.1.1 Questões de Pesquisa

Tomando como base o problema identificado, a questão principal é:

 Como as bacias de retenção podem ser utilizadas como dispositivos de controle a fim de se amortecer as vazões de cheia?

Questões secundárias:

 O que são bacias de retenção?

 Quais são as soluções para controle de cheias?  Quais os fatores de dimensionamento?

1.1.2 Objetivos de Pesquisa O objetivo geral é:

 Realizar um estudo sobre bacias de retenção como dispositivos que armazenam águas pluviais com objetivo de regularizar o escoamento afluente, amortecendo as vazões de ponta e controlando cheias.

Os objetivos específicos são:

 Referenciar conceitos iniciais de hidrologia;

 Pesquisar as causas das cheias e inundações em meio urbano;

 Estudar os diferentes tipos de bacias de retenção e fatores necessários ao dimensionamento e escolha de uma bacia de retenção;

 Recolher e analisar informações existentes sobre metodologias de cálculo hidrológico e hidráulico necessário ao dimensionamento de bacias de retenção;  Demonstrar a aplicabilidade das bacias de retenção, através de exemplos, como

aporte sustentável na gestão da drenagem e planejamento urbano. 1.2 ESTRUTURA DO TRABAHO

Este trabalho será apresentado em cinco capítulos básicos, sendo:

a) Primeiro Capítulo: Introdução, contempla uma breve inserção do assunto onde a pesquisa foi desenvolvida, os problemas, objetivos e a estrutura do trabalho; b) Segundo Capítulo: Referencial Bibliográfico, onde são abordados conteúdos

relacionados à Hidrologia, conceitos importantes para o entendimento do trabalho e um breve estudo do planejamento urbano e da drenagem urbana.

c) Terceiro Capítulo: Metodologia utilizada para a pesquisa.

d) Quarto Capítulo: Resultados, traz os resultados com utilização da metodologia proposta, onde se descreve rapidamente as possíveis soluções para problemas de drenagem urbana e se enfoca na caracterização das bacias de retenção, classificação, dimensionamento, aplicação e exemplos aplicados em diferentes países.

e) Quinto capítulo: Conclusão. Neste capítulo é realizada uma breve análise do trabalho, apresentando os resultados obtidos na pesquisa e demais considerações. O esquema da estrutura do trabalho pode ser observado na figura 1.

Figura 1: Resumo esquemático do trabalho

2 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO

2.1 CONSIDERAÇÕES HIDROLÓGICAS

A hidrologia é a parte da Geografia Física que trata do estudo da água na Natureza e estuda fenômenos e distribuição da água na atmosfera, no solo e no subsolo. A importa da hidrologia pode ser facilmente entendida assim como se entende a importância da água para a vida humana (PINTO et al., 1976).

A hidrologia como ciência tem evoluído expressivamente devido aos problemas crescentes observados no crescimento das cidades, como a ocupação inadequada, o aumento significativo da utilização da água para diversos fins e principalmente em relação aos resultados dos impactos sobre o meio ambiente (TUCCI, 2013).

Na engenharia, a hidrologia ganha grande espaço. Segundo Righetto (1998), a Hidrologia exerce influência em áreas como:

 Escolha de fontes de abastecimento de água para uso doméstico ou industrial;  Projeto de construção de obras hidráulicas;

 Drenagem: estudo das características do lençol freático; precipitação, bacia de contribuição e nível d’água nos cursos d’água;

 Irrigação: problema de escolha do manancial; estudo de evaporação e infiltração;  Regularização de cursos d’água e controle de inundações:

 Controle de poluição (análise da capacidade de recebimento de corpos receptores dos efluentes de sistemas de esgotos).

 Controle da erosão;

 Estudo de canais navegáveis;  Aproveitamento hidrelétrico;

 Operação de sistemas hidráulicos complexos; e  Recreação e preservação do meio ambiente.

Segundo NRC- National Research Council (1991) o desenvolvimento da ciência hidrológica tem sido influenciado por aspectos específicos do uso da água e controle de desastres.

O concelho cita a necessidade de instruir profissionais com formação mais ampla, que englobe conhecimentos de matemática, física, química, biologia e geociência a fim de desenvolver a hidrologia dentro de um contexto mais abrangente.

2.1.1 O ciclo hidrológico

Denomina-se ciclo hidrológico, ou ciclo da água, o movimento contínuo da água no processo natural de evaporação, condensação, precipitação, detenção, escoamento superficial, infiltração, percolação da água no solo e nos aquíferos, escoamentos fluviais e interações entre esses componentes (RIGHETTO, 1998). A Figura 2 demonstra como ocorrem essas relações entre as fases.

Figura 2: Ciclo da água

Fonte: Brasil, Ministério do Meio Ambiente (20--?).

Como observado na figura 2, os 5 (cinco) componentes principais do ciclo hidrológico são, segundo Carvalho e Silva (2007):

 Precipitação: sob condições apropriadas, pequenas gotas de humidade ficam sujeitas a um processo de união, caindo sobre a Terra, na forma de chuva, neve,

granizo etc. A precipitação ocorre quando a humidade atmosférica se torna demasiado elevada para permanecer suspensa nas nuvens.

 Escoamento: corresponde ao volume de água que flui pela superfície terrestre após um fenômeno de precipitação. Aspectos como clima local, características do terreno, intensidade de precipitação (e duração) têm influência importante sobre este escoamento, assim como a ocupação do solo.

 Armazenamento (superficial e subterrâneo): o armazenamento superficial são os lagos e barragens de origem natural ou artificial ou outros locais de acumulação de grandes massas de água. A água acumulada pode ser perdida tanto por evaporação, como por recarga de aquíferos ou escoamento superficial. Já o subterrâneo acontece quando solos de porosidade elevada permitem a infiltração da água superficial e armazenamento no solo. Essas águas podem retornar à superfície através de nascentes ou outros tipos de descargas naturais.

 Evapotranspiração (Evaporação + Transpiração): a evaporação é o processo de transformação da água, do estado líquido para o estado gasoso (vapor) ocorre e a partir de lagos, rios e oceanos. A transpiração ocorre quando as moléculas de água adsorvidas pelas plantas sofrem um processo de passagem a vapor de água, retomando à atmosfera. Assim, a evapotranspiração pode ser definida como a quantidade de água evaporada a partir da superfície, bem como a parcela da transpiração das plantas.

 Condensação: corresponde ao processo de transformação da água do estado gasoso ao estado líquido. Este processo é propício quando o vapor de água, existente na atmosfera, sobe e resfria.

2.1.2 Bacia hidrográfica

Uma bacia hidrográfica (figura 3) é um conjunto de grandes áreas na projeção horizontal com declividade no sentido de determinada seção transversal de um curso de água. Também pode ser chamada de bacia de drenagem superficial, bacia coletora, bacia de captação, bacia de rio, entre outros. Cada bacia possui características específicas como área, tipo de cobertura, forma, perfil longitudinal etc. que juntas desempenham papel essencial no seu comportamento hidrológico (GARCEZ E ALVAREZ, 1988).

Figura 3: Planta e seção transversal de uma bacia hidrográfica.

Fonte: Garcez e Alvarez (1988).

Os limites de bacia hidrográfica são definidos pelo relevo, sendo as áreas mais elevadas consideradas como os divisores de águas. O corpo hídrico principal recebe contribuição dos seus afluentes, e estes, podem apresentar vários contribuintes menores, alimentados direta ou indiretamente por nascentes. Dessa forma, em uma bacia existem várias sub-bacias ou áreas de drenagem contribuintes (RIO GRANDE DO SUL, 2010).

No Brasil, a gestão de recursos hídricos baseada no território das bacias hidrográficas ganhou espaço no início dos anos 1990 na reunião preparatória da Rio-92 realizada em Dublin. Segundo o princípio de número 1 da declaração da reunião de Dublin, a água doce é um recurso finito e vulnerável e a gestão dos recursos hídricos para ser de fato efetiva, deve ser integrada e considerar aspectos físicos, sociais e econômicos (WMO, 1992).

Atualmente, o Conselho Nacional de Recursos Hídricos, de acordo com a Resolução nº 32 de 15 de outubro de 2003, divide o Brasil em 12 regiões hidrográficas (BRASIL, 2003). Diferentemente das bacias hidrográficas, que podem ultrapassar as fronteiras nacionais, as regiões hidrográficas estão restritas ao espaço territorial pertencente ao Brasil, como pode ser visto na Figura 4.

Figura 4: Regiões Hidrográficas do Brasil

Fonte: Brasil (2003).

2.1.3 Escoamento superficial

O escoamento superficial representa, dentre os componentes do ciclo hidrológico, o maior valor de importância para a engenharia. Este é a parcela do ciclo hidrológico que estuda o deslocamento da água sobre a superfície da Terra. O estudo do escoamento superficial considera as águas que, uma vez o solo estando saturado de umidade ou impermeável, formam as enxurradas, enchentes etc. (PINTO et al., 1976).

Ao falar de escoamento superficial, devem ser entendidas algumas grandezas fundamentais que envolvem o assunto, entre elas: o caudal, o tempo de concentração, o coeficiente de escoamento e o período de retorno. Esses conceitos podem ser entendidos a seguir:

 Caudal ou vazão (Q): segundo Pinto et al. (1976), vazão ou caudal é o volume de água escoada na unidade de tempo, pode ser referido em valores médios de certos períodos ou instantâneos. Produto da velocidade média pela área da seção em estudo.

 Tempo de concentração (tc.): o tempo de concentração é relativo a uma seção de um

curso de água. É o intervalo de tempo contado do início da precipitação até que toda a bacia passe a contribuir na seção de interesse. Em outras palavras, é o tempo da trajetória da partícula de água que demora mais para atingir a seção (PINTO et al., 1976).

 Coeficiente de escoamento (C): o coeficiente de escoamento (run-off na língua inglesa), é a relação entre o volume de água escoada por certa seção e o volume precitado na área da bacia. Ou seja, do volume precipitação sobre certa área, apenas uma parcela gera caudal (GARCEZ E ALVAREZ, 1988).

2.1.4 Hidrograma de cheia

O hidrograma de cheia (figura 5) é a representação gráfica da variação da vazão (Q) ao longo do tempo (t) em uma seção da bacia hidrográfica ou curso d’agua. Pode ser entendido como resposta da bacia hidrográfica, em função de suas características (forma, relevo etc.) em paralelo com o escoamento superficial para uma certa precipitação, comumente em forma de chuva sobre a área. O hidrograma é a resposta a acontecimentos meteorológicos isolados (MAIA, 2018).

Figura 5: Caracterização de hidrograma-tipo

Fonte: Costa & Lança (2011).

 Curva de ascensão: corresponde ao aumento do fluxo.  Crista ou pico: fluxo máximo atingido.

 Curva de ressecção: corresponde ao decréscimo do fluxo.

A área definida pelo hidrograma representa o volume total do escoamento superficial originado na duração da precipitação, sendo o andamento do hidrograma caracterizado por uma curva de crescimento, que corresponde ao aumento do caudal e ocorre durante o tempo de crescimento, tp atingindo um pico ou ponta, seguindo-se uma curva correspondente ao tempo de recessão, tr, em que se verifica um decréscimo progressivo do caudal desde a ponta até ao fim do escoamento superficial (COSTA & LANÇA, 2011).

Em outras palavras, na seção do curso de água onde se está registrando a vazão, verifica-se que após o início da precipitação (decorrido certo intervalo de tempo), o nível da água começa a crescer. A vazão aumenta desde o instante correspondido ao ponto de início da curva de ascensão até o instante da crista de pico, onde atinge seu valor máximo. (PINTO et al., 1976)

2.1.5 Período de retorno

Dentro do contexto estudado faz-se necessário o entendimento sobre o período de retorno. O período de retorno (T) é um termo usado na hidrologia para referenciar um intervalo de tempo médio, em anos, no qual um determinado acontecimento (precipitação, caudal de cheia etc.) pode ser igualado ou excedido uma vez, em média. A probabilidade de ocorrência (p) é o inverso de T (MAIA, 2018).

De acordo com Righetto (1998) o período de retorno é um indicador básico para a análise e projeto de obras hidráulicas como reservatórios, vertedores, galerias de águas pluviais etc. Para estabelecer o período de retorno é recomendado por questões de bom senso, custos das obras e estimativa dos prejuízos finais.

2.2 PLANEJAMENTO DA DRENAGEM URBANA

Os sistemas de drenagem são necessários em áreas urbanas devido à interação entre a atividade humana e o ciclo natural da água (item 2.1.1). Essa interação tem duas formas principais: a captação de água do ciclo natural para fornecer um suprimento de água para a vida humana e a

impermeabilização do solo que desvia a água da chuva do sistema natural de drenagem. Esses dois tipos de interação dão origem a dois tipos de água que requerem drenagem (ASCE, 1992).

O primeiro tipo (as águas residuais), compreende a água que foi fornecida para sustentar a vida e satisfazer as necessidades da indústria etc. O segundo tipo de água que requer drenagem são as águas pluviais - água resultante de qualquer forma de precipitação. Se as águas pluviais não forem drenadas adequadamente, gera-se uma série de inconveniências e danos, como inundações e riscos para a saúde (ASCE, 1992).

O desenvolvimento urbano modifica o tipo cobertura vegetal promovendo vários efeitos que alteram os constituintes do ciclo hidrológico natural. Com a urbanização, a cobertura natural vegetal da bacia é substituída para pavimentos impermeáveis (asfalto, concreto) e são introduzidos condutos para escoamento pluvial, gerando alterações no ciclo (TUCCI,2008). Para melhor entendimento do assunto é preciso fazer um breve estudo sobre o planejamento urbano e os sistemas de drenagem.

Webster (1962) refere como um dos primeiros sistemas de drenagem urbana com coletores principais e drenos os correspondentes aos do aglomerado de Mohengo-Doro, desenvolvido pela civilização Hindu, e que atualmente faz parte do Paquistão Ocidental. As ruínas desse antigo sistema que se destinava principalmente à drenagem das vias, e que data de 3000A.C., espanta pela atenção e o cuidado com que foram colocados, na época, com a construção desse tipo de infraestrutura.

Desde as épocas do Império Romano até ao Século XVII, as estratégias de drenagem e saneamento em meio urbano não sofreram na Europa praticamente nenhum avanço. Em termos sanitários, pode mesmo falar-se em “regressão” ao longo de pelo menos uma parte da Idade Média – a higiene e limpeza eram completamente ignoradas pela maior parte dos cidadãos. Em regra, os primeiros trabalhos relevantes de drenagem e de evacuação de “águas pestilentas” ocorre nas principais cidades Europeias, entre os séculos XIV e XVIII (MATOS, 2003).

Ainda Matos (2003), descreve que o início do século XIX foi marcado por uma significativa evolução no setor. No final do século XIX, o uso do concreto como material para fabricação de coletores de secção circular, com autolimpeza e sem juntas transversais, constitui também marco

declive, para assegurar menores encargos e problemas com manutenção das redes públicas. Foram introduzidos os sistemas de abastecimento e de distribuição de água domiciliar, construídos com tubulações de ferro fundido funcionando sob pressão. Anteriormente, era tradicional a construção de grandes estruturas em pedra ou tijolo.

O desenvolvimento urbano se acelerou na segunda metade do século XX com a concentração da população em um espaço reduzido, gerando disputa pelos recursos naturais (solo e água). O cenário formado pelo ambiente natural e pela população humana é dinâmico e gera uma série de consequências atreladas entre si que, quando sem controle, podem levar a cidade a situações extremas de desordem (TUCCI, 2008).

Em suma pode ser observada a tabela abaixo (tabela 1), com as fases, características e consequências do manejo das águas urbanas ao longo da civilização.

Tabela 1: Fases do desenvolvimento das águas urbanas

FASE CARACTERÍSTICAS CONSEQUÊNCIAS

Pré-higienista: até início do século XX

Esgoto em fossas ou na drenagem,

sem coleta ou tratamento e água da fonte mais próxima, poço ou

frio.

Doenças e epidemias, grande

mortalidade e inundações.

Higienista: antes de 1970 Transporte de esgoto distante das pessoas

e canalização do escoamento.

Redução das doenças, mas rios

contaminados. Impactos nas fontes

de água e inundações. Corretiva: entre 1970 e 1990 Tratamento de esgoto

doméstico e industrial, amortecimento do

escoamento.

Recuperação dos rios, restando poluição difusa. Desenvolvimento sustentável:

depois de 1990

Tratamento terciário e do escoamento pluvial, novos

desenvolvimentos que preservam o sistema

natural. Conservação ambiental, redução das inundações e melhoria da qualidade de vida.

Como pode ser visto na tabela 1, o conceito de conservação ambiental e melhoria da qualidade de vida é recente (só desenvolvido depois dos anos 90). Tucci (2008) salienta que o aprimoramento do conceito de sustentabilidade urbana tem o objetivo de melhorar a qualidade da vida da população e conservar o meio ambiente.

O Atlas de Censo demográfico (2010) desenvolvido pelo IBGE a partir de dados do último censo, mostra que entre 2005 e 2010 a população mundial passou a ser, em sua maior parte (51, 6%), residente de áreas urbanas (figura 6).

Figura 6: Taxa de urbanização no mundo

Fonte: IBGE, Atlas de Censo demográfico (2010).

No Brasil foi entre o final dos anos 1960 até o final dos anos 1990 que ocorreu o maior crescimento urbano. O país passou de 55 % de população urbana para 76 %. O aumento populacional ocorreu principalmente em grandes metrópoles e teve como consequência o também aumento da frequência das inundações em função da impermeabilização (TUCCI, 2003). Foi então que, na década de 1990, criou-se o Pró-Saneamento, com o objetivo de promover a melhoria das

Em de 2007 foi criada a Lei 11.445 da Política Nacional de Saneamento e finalmente foi ampliado o conceito de saneamento básico, passando a ter a mesma significação de saneamento ambiental. A Lei de Saneamento tem como propósito avançar de forma gradativa com os níveis de saúde ambiental e como finalidade, promover e melhorar as condições de vida urbana e rural (BRASIL, 2007).

Hoje, a ferramenta mais conhecida para planejamento das cidades é o Plano Diretor, o qual pode se dividir em várias áreas específicas, incluindo a drenagem urbana. Assim, denomina-se Plano Diretor de Drenagem Urbana (PDDU) o documento que tem o objetivo de criar os mecanismos de gestão da infraestrutura urbana relacionado com o escoamento das águas pluviais e dos rios na área urbana. Este planejamento visa evitar perdas econômicas, melhoria das condições de saúde e meio ambiente da cidade (TUCCI, 2002).

Ainda Tucci (2002) apresenta alguns pontos fundamentais para o bom desenvolvimento de um programa concreto de drenagem urbana visando a minimização dos impactos decorrentes da urbanização. Dentre eles é possível destacar:

 O Plano de Drenagem Urbana faz parte do Plano de Desenvolvimento Urbano e Ambiental da cidade;

 O Plano deve prever a minimização do impacto ambiental devido ao escoamento pluvial através da compatibilização com o planejamento do saneamento ambiental, levando em consideração uma redução dos poluentes nas águas pluviais que escoam para o sistema fluvial externo a cidade;

 O PDDU, na sua padronização, deve contemplar o planejamento das áreas ainda a serem desenvolvidas;

 O controle deve ser realizado considerando a bacia como um todo e não em trechos isolados;

 Deve-se integrar o planejamento setorial de drenagem urbana, esgotamento sanitário e resíduos sólidos.

2.2.1 Impactos da urbanização na bacia hidrográfica

Como já visto nos itens anteriores, o desenvolvimento urbano altera a cobertura vegetal provocando vários efeitos que alteram os componentes do ciclo hidrológico natural, causando por

fim os desastres como as inundações. Podem ser descritas como alterações no ciclo hidrológico natural (PARANÁ, 2002):

 Redução da infiltração no solo pela compactação e pavimentação (asfalto, concreto);

 Aumento das vazões máximas devido ao aumento da capacidade de escoamento através de condutos e superfícies com maior coeficiente de escoamento;

 Aumento da produção resíduos sólidos, aliado ao destino incorreto destes;

 Drenagem deficiente ou inexistente. Mesmo que o sistema de drenagem for bem dimensionado em meio urbano, com o passar do tempo a densidade demográfica aumenta e, como consequência, aumenta o grau de impermeabilização do solo, fazendo com que a drenagem passe a não atender à vazão das cheias;

 Deterioração da qualidade da água superficial e subterrânea, devido à lavagem das ruas, transporte de material sólido e às ligações clandestinas de esgoto sanitário e pluvial;

 Contaminação de aquíferos.

Observa-se na figura 7 três situações de ocupação de uma bacia ou sub-bacia:

Figura 7: Sub-bacia não urbanizada, pouco urbanizada e urbanizada.

Fonte: Adaptado de Minas Gerais (2006).

A figura 7a) retrata a situação de uma sub-bacia não urbanizada, em que não houve a ocupação na planície de inundação do curso d’água. A figura 7b) mostra uma sub-bacia parcialmente urbanizada, onde haverá necessidade da adoção de preventivas e emergenciais, uma vez que a ocupação começa a se estabelecer ao longo do curso d’água. Por fim, a figura 7c) expõe o esquema de uma sub-bacia urbanizada, onde há necessidade de intervenção a montante do trecho, objetivando a redução dos picos de vazão.

A exemplificação gráfica dos picos de vazão de acordo com a situação de ocupação de uma sub-bacia pode ser observada na figura 8:

Figura 8: Aumento do caudal de ponta com o crescimento da urbanização

Fonte: Adaptado de Butler e Davies, 2004.

Observa-se na figura 8 a situação causada em meio urbano: o caudal é bem mais elevado para um menor espaço de tempo (BUTLER E DAVIES, 2004). Esse evento é o principal responsável pelas cheias urbanas, popularmente descritas pela mídia como enchentes, inundações, alagamentos e enxurradas. Na sequência, podem ser entendidos os conceitos de cada um desses termos, bem como o estudo das cheias.

2.3 ESTUDO DAS CHEIAS

As cheias são fenômenos na sua grande maioria de causas naturais, sendo resultado aleatório dos processos hidrológicos, cujo conhecimento interessa aprofundar para se minimizarem

os riscos delas decorrentes (enchentes, inundações, alagamentos e enxurradas) (MAIA, 2018). A tabela 2 apresenta as principais causas das cheias:

Tabela 2: Causas das cheias

Causas Exemplos

Naturais

Precipitação intensa

Cheias fluviais de crescimento lento Cheias fluviais de crescimento rápido Cheias urbanas

Marés e ondas extremas Cheias costeiras (furacões, tsunamis etc.) Derretimento de gelo Derretimento de neve

Induzidas Falhas estruturais Rotura de barragens

Fonte: Adaptado de Maia (2018).

De um ponto de vista estritamente hidrológico, uma situação de cheia numa dada secção de um curso de água, acontece sempre que a precipitação dá origem à ocorrência de escoamento superficial direto, que se traduz na formação de um hidrograma de cheia (MAIA, 2018). É importante destacar que nem toda cheia causa inundações, sendo que a enchente é caracterizada por uma vazão grande de escoamentos e as inundações são consideradas quando ocorre extravasamento das águas no canal (VILLELA & MATTOS, 1975).

O estudo das cheias pode ser feito com diversos graus de pormenorização, conforme as finalidades a que se destina, tais como: planeamento e projeto de obras hidráulicas, delimitação de áreas susceptíveis de serem inundadas e gestão de sistemas fluviais (MAIA, 2018). As cheias podem ser classificadas de várias formas, cabendo para o presente trabalho o estudo das cheias urbanas.

2.3.1 As cheias urbanas

Maia (2018) considera que as cheias urbanas estão geralmente associadas à combinação de efeitos das longas ou rápidas precipitações, acentuada por existentes deficiências na drenagem. Esse tipo de cheia é localizada, mas pode sofrer os efeitos de cheias de maior dimensão com origens fora da zona urbana.

Várias causas podem ser citadas para explicar a ocorrência das cheias, Tucci (2003) menciona a impermeabilização (causada pela ocupação do solo) como o principal fator para o aumento da frequência e amplitude das cheias. Com a urbanização, a cobertura da bacia é alterada para pavimentos impermeáveis e são geradas alterações no ciclo, começando pela redução da infiltração no solo (PARANÁ, 2002).

Para melhor entendimento para sequência do estudo, é importante considerar e conceituar o uso dos seguintes termos comumente utilizados no estudo das cheias: a) enchente, b) inundação, c) alagamento e d) enxurrada.

a) Enchente (ou cheia): temporária elevação do nível d'água normal da drenagem, devido ao acréscimo de descarga (ESPÍRITO SANTO, 2017).

b) Inundação: quando o volume não se limita à calha principal do rio e extravasa para áreas das margens. O pico de uma inundação é influenciado por muitos fatores, incluindo a intensidade e a duração da precipitação, a topografia e geologia de bacias de rios, vegetação e as condições hidrológicas (ESPÍRITO SANTO, 2017). c) Alagamento: é o acúmulo de água nas ruas e no perímetro urbano, devido

problemas de drenagem ou a falta deste. É provocado por chuvas intensas em áreas com grande impermeabilização do solo, onde a rede de drenagem pluvial não consegue escoar uma vazão superior àquela para qual foi projetada (ESPÍRITO SANTO, 2017).

d) Enxurrada: é definida como o escoamento superficial concentrado em curto espaço de tempo e com alta energia de transporte ocasionado em eventos chuvosos intensos ou extremos. Também denominado de inundação brusca (ESPÍRITO SANTO, 2017).

Segundo Ramos (2013), embora sejam utilizados cheia e inundação como sinônimos, na verdade não são, pois, todas as cheias provocam inundações, mas nem todas as inundações são devidas às cheias. O conceito de cheia foi prescrito por Chow (1956) e aponta a um fenômeno hidrológico extremo, de frequência variável, natural ou induzido pela ação humana, que consiste no transbordo de um curso de água relativamente ao seu leito ordinário.

Esquematizando o capítulo, observa-se na figura 9 o resumo dos impactos da urbanização no hidrograma de cheia:

Figura 9: Esquematização da urbanização e aumento no volume de cheia

Fonte: Adaptado de Maia (2018).

Como observado na figura 9, por fim conclui-se que o aumento do volume de cheia é o fator crítico no sistema de impactos da urbanização. Os principais efeitos sobre a população são considerados gravíssimos: vão desde prejuízos com perdas materiais e humanas; interrupção da atividade econômica das áreas inundadas até a contaminação por doenças de transmissão hídrica como leptospirose, cólera e outros.

3 METODOLOGIA

A metodologia utilizada para o desenvolvimento do presente trabalho se classifica como pesquisa bibliográfica. Segundo Marconi e Lakatos (2010), a pesquisa bibliográfica abrange a bibliografia pública relacionada com o tema em estudo, sejam elas publicações avulsas, livros, artigos, teses, dissertações, monografias etc. até meios de comunicação como rádio, televisão e mídias sociais. O objetivo da pesquisa bibliográfica é o contato direto do pesquisador com a fonte. Gil (2017) define a pesquisa como o procedimento racional e sistemático que tem como objetivo fornecer respostas aos problemas que são propostos. A pesquisa se desenvolve ao longo de um processo que envolve diversas fases, desde a adequada formulação do problema, o desenvolvimento de estratégias, até a satisfatória apresentação do resultado.

A pesquisa bibliográfica é realizada partindo-se da busca de referências teóricas já analisadas e publicadas. Qualquer trabalho científico tem como base a pesquisa bibliográfica, que permite ao pesquisador tomar conhecimento do que já se estudou sobre o assunto. Existem também pesquisas científicas que se baseiam unicamente na pesquisa bibliográfica, estudando as referências teóricas publicadas com o objetivo de recolher informações predecessoras sobre assunto em questão (FONSECA, 2002).

Ainda, a pesquisa bibliográfica traz como vantagem o fato de permitir ao investigador alcançar um conjunto de acontecimentos muito mais amplo do que aquela que poderia pesquisar de forma direta. Esse ponto positivo torna-se particularmente importante quando o tópico em estudo requer dados desordenados e complexos. Deve-se analisar em profundidade cada informação para descobrir possíveis incoerências ou contradições e utilizar fontes diversas, conferindo-as cuidadosamente (GIL, 2002).

Tendo isso posto, a metodologia usada compreendeu as seguintes etapas: a) referencial bibliográfico sobre conceitos de hidrologia, o planejamento da drenagem urbana e o estudo das cheias; b) estudo das bacias de retenção como técnica de controle na origem; c) revisão dos métodos de dimensionamento hidráulico-hidrológico das bacias de retenção.

Numa primeira fase, por meio da revisão bibliográfica, pretendeu-se entender os conceitos básicos de hidrologia que envolvem o problema de pesquisa. Na segunda fase realizou-se um estudo sobre o planejamento da drenagem urbana com o objetivo de preparar o entendimento sobre as causas do problema para futura abordagem das técnicas de solução. Por fim, a terceira fase da revisão bibliográfica compreendeu o estudo das cheias.

b) Estudo das bacias de retenção como técnica de controle de cheia

Esta fase dividiu-se em duas etapas: a) descrição geral das técnicas de controle de cheia e seus objetivos; b) Estudo detalhado das bacias de retenção como dispositivo de controle na origem do ponto de vista de projeto, de constituição, e a sua classificação.

c) Revisão do dimensionamento hidráulico-hidrológico e exemplos instalados

A metodologia de trabalho culminou com um breve estudo dos métodos de dimensionamento hidráulico-hidrológico das bacias de retenção e alguns exemplos de países que implantaram esses dispositivos. A documentação consultada foi diversa, desde os livros, artigos científicos, dissertações de mestrado e normas, passando por publicações da internet e notas de aula.

4 RESULTADOS

4.1 MEDIDAS DE CONTROLE DE CHEIAS

Os sistemas de drenagem são classificados de acordo com a sua área de abrangência, podendo ser na fonte, de microdrenagem ou de macrodrenagem. A drenagem na fonte corresponde à drenagem do empreendimento dentro de parcelamento existente. A microdrenagem envolve a drenagem de novos parcelamentos, condutos pluviais ou canais de rede urbana primária. Já a macrodrenagem envolve os sistemas de microdrenagem, correspondendo ao projeto de drenagem de áreas significativas da cidade (> 2 km²) com vários coletores (PORTO ALEGRE, 2005).

De acordo com Porto Alegre (2005), as medidas técnicas de controle podem se dar de 3 formas: com o aumento da infiltração, com o armazenamento e através do aumento da capacidade de escoamento.

 Aumento da infiltração: se dá através de dispositivos como pavimentos permeáveis, valas de infiltração e outros. Este tipo de medida é aplicado somente na fonte.  Armazenamento: o armazenamento é uma forma de amortecer o escoamento,

reduzindo a vazão de pico. Os reservatórios podem assumir proporções na fonte, microdrenagem e macrodrenagem. É esse tipo de controle que será abordado de forma especial no próximo tópico, com o aprofundamento no estudo das bacias de retenção.

 Aumento da capacidade de escoamento: transfere para a jusante a vazão, exigindo aumento da capacidade ao longo todo o sistema de drenagem, aumentando exponencialmente o custo.

Muitos projetos, concebidos a partir de uma concepção antiga de sistemas de drenagem, adotam como princípio a promoção do escoamento da água precipitada o mais rápido possível da área em que ocorre a chuva. A adoção desse princípio leva ao aumento da frequência e do nível de inundações a jusante, além disso, o seu custo pode atingir em alguns casos até dez vezes mais do que soluções que controlam as cheias na fonte ao invés de transferi-las (PORTO ALEGRE, 2005).

Ainda, além da classificação técnica citada acima, as soluções para evitar ou minorar as enchentes podem ser enquadradas em termos ambientais e legais. As soluções que estão relacionadas às práticas ambientais são, entre outras: evitar desmatamentos, não obstruir os sistemas de drenagem com lixo e zelar pelas áreas verdes a fim de se promover a infiltração. Entre os instrumentos legais para evitar as causas das cheias urbanas, destacam-se o Plano Diretor Municipal, o Código Florestal e a Agenda 21.

Segundo Lourenço (2014), designa-se por técnicas de controle na fonte (ou origem) de águas pluviais o conjunto diversificado de procedimentos ou de controle a montante do sistema físico, que é a rede de coletores, e que interferem ao nível da bacia de drenagem. O controle na fonte permite a redução das vazões de ponta e dos volumes de águas pluviais afluentes aos coletores, essencialmente através de processos de retenção, de infiltração ou da combinação de ambos.

Seguindo os conceitos já estudados em relação as técnicas de drenagem sustentáveis (SUDS e LID), os dispositivos de fonte representam as técnicas recomendadas e incentivados em relação ao aumento da capacidade de escoamento (figura 10), pois estes permitem uma maior aproximação ao ciclo hidrológico natural. Entre os sistemas que promovem o aumento da infiltração na fonte estão as trincheiras de infiltração, poços de infiltração, pavimentos permeáveis, coberturas verdes e faixas gramadas.

Como observado no esquema da figura 10, o aumento do caudal pós-urbanização leva a adoção de medidas de atenuação destes e dos volumes de águas pluviais. Como já observado por Porto Alegre (2005), a adoção de princípios que visam aumentar a capacidade da rede, além de aumentar aa frequência de inundações a jusante, apresentam custos muito mais elevados do que soluções que controlam as cheias na fonte.

As bacias de retenção, em si, como controle na fonte, constituem um mecanismo de drenagem sustentável classificado na técnica de armazenagem: elas armazenam, controlam e regularizam águas pluviais da bacia hidrográfica, questão que permite a restituição total ou parcial das águas a jusante com caudais compatíveis com o meio receptor (LOURENÇO, 2014).

4.2 AS BACIAS DE RETENÇÃO

As bacias de retenção são reservatórios que visam minimizar o impacto hidrológico da redução da capacidade de armazenamento natural da bacia hidrográfica (TUCCI, 1997). Em outras palavras, a retenção dos escoamentos utilizando reservatórios ou outros dispositivos têm a finalidade principal de promover a redução do pico das enchentes, por meio do amortecimento conveniente dos picos de cheia, obtida pelo armazenamento de parte do volume escoado (CANHOLI, 2014).

A finalidade de uma bacia de retenção é, basicamente, quantitativa ou hidráulica, isto é, destina-se a regularizar a vazão após um episódio de precipitação intensa. Através de um armazenamento temporário, de forma quantitativa a criação de um reservatório reduz os caudais de ponta para jusante, que terão que ser compatibilizados com o meio receptor. Entretanto, este efeito de armazenamento atribui também à bacia uma função qualitativa ao permitir melhorar a qualidade da água retida, principalmente, por efeito da decantação dos materiais sólidos suspensos (BICHANÇA, 2006).

Uma bacia hidrográfica tem uma capacidade de armazenamento natural das precipitações devido, principalmente, à infiltração no solo e à interceptação pela vegetação. Com a urbanização, esta capacidade reduz proporcionalmente ao aumento do grau de impermeabilização da bacia exigindo ações que compensem esta redução de capacidade, como o uso de dispositivos como as bacias de retenção.

Para Bichança (2006) a integração das bacias de retenção nos sistemas de drenagem, quando bem concebida, constitui, assim, uma mais valia para o meio urbano, contribuindo com os seguintes benefícios e utilidades:

 Melhoria do comportamento do sistema de drenagem, através da capacidade de armazenamento e consequente diminuição dos riscos de inundação;

 Criação de reservas de água para fazer face a necessidades agrícolas, ocorrência de incêndios e atividades industriais e municipais, como a limpeza de arruamentos e parques;

 Custos de investimento, em regra, inferiores a ampliação da rede existente;  Construção mais rápida e simples do que redes de tubulação.

Como desvantagens da instalação de uma bacia de retenção podem ser citados a afetação de uma parcela significativa de terreno; riscos associados a acidentes -especialmente com crianças, o que leva a necessidade de proteções, e a necessidade de manutenção para evitar acumulação de resíduos sólidos (MAIA,2018).

A escolha da localização de um reservatório depende de fatores de acordo com a urbanização: em áreas muito urbanizadas, a localização necessita da disponibilidade de espaço. Se existe espaço somente a montante, que drena pouco volume, o efeito será reduzido. Em áreas a serem desenvolvidas, recomenda-se localizar o reservatório nas partes de pouco valor, valendo-se das depressões naturais (PARANÁ, 2002).

4.2.1 Classificação

É comum encontrar na literatura a distinção entre os termos bacia de retenção e bacia de detenção. Autores como American Society Civil Engineer -ASCE (1992) e Tucci (1997) utilizam essa classificação, entretanto, utilizou-se para esse trabalho um único termo, baseado em autores europeus como Maia (2018) e Pêgo (2018): bacia de retenção, estando incluso nessa nomenclatura as bacias com lâmina d’água permanente e temporária, sendo essas uma forma de classificá-las.

 Quanto à sua localização relativamente ao coletor ou canal de drenagem, em bacias em série (on-line) e bacias em paralelo (off-line);

 Quanto à sua posição relativamente à superfície do solo, em bacias a céu aberto e bacias enterradas;

 Quanto ao seu comportamento hidráulico, as bacias a céu aberto podem ser bacias secas e bacias com nível de água permanente.

As bacias em série (on-line) são caracterizadas por serem instaladas no alinhamento direto do coletor ou canal de drenagem (figura 11), fazendo com que o escoamento de montante entre na bacia de forma integral. Porém, pode haver passagens secundárias como forma de desviar o caudal afluente em períodos secos, por exemplo, para a execução de trabalhos de manutenção. Estas bacias tendem a ser bacias com nível de água permanente (BICHANÇA, 2006).

Figura 11: Bacia de retenção em série (on-line)

Fonte: Adaptado de Paraná (2002).

Já as bacias em paralelo (off-line) são instaladas paralelamente ao coletor ou canal de drenagem (figura 12), onde apenas uma porção pré-determinada do escoamento é divergida para a bacia, através de um descarregador lateral, afluindo o caudal que escoa acima da cota do descarregador ou através de estrutura que dividem o fluxo do canal principal, garantindo a afluência à bacia de uma percentagem fixa do escoamento total (BICHANÇA, 2006).

Figura 12: Bacia de retenção em paralelo (off-line)

Fonte: Adaptado de Paraná (2002).

As bacias a céu aberto (figura 13) de um modo geral são construídas em terra, com taludes reforçados ou diques com proteção lateral. Podem ser concebidas como uma intercepção simples em uma linha de água em local de fisiografia favorável, através de uma pequena barragem ou açude, ou concebidas em zonas de declive natural com solos de resistência e características adequadas (PARANÁ, 2002).

A aplicação de bacias a céu aberto é feita numa abordagem integrada de drenagem pluvial com o meio urbano. Este tipo de bacia está geralmente ligado ao objetivo de integração paisagística e de valorização de áreas de lazer e tempos recreativos. As bacias de céu aberto podem ser secas ou com nível de água permanente.

As bacias enterradas, como o próprio nome indica, são estruturas situadas abaixo do nível do solo. Estas estruturas são normalmente em concreto armado à semelhança de reservatórios de água (figura 14). Podem ser estruturadas de forma modular ou tubular e, de um modo geral, são posicionadas em paralelo.

Figura 14: Bacia de retenção modular enterrada nos Estados Unidos da América

Fonte: Site StormTrap (2019).

A bacia enterrada é uma obra discreta com funcionamento hidráulico autônomo, mas dispositivos com de emergência e aeração requerem gestão e manutenção. Podem agregar função de reserva adicional de água para incêndio, lavagem de ruas e praças, irrigação de jardim, alimentação de chafarizes e outros usos públicos (PARANÁ, 2002).

As bacias secas (figura 15) são concebidas para permanecerem a maior parte do tempo sem água, acumulando apenas num período relativamente curto de tempo que se sucede alguns dias correspondentes a precipitações mais significativas. Um caso especial de bacia seca são as designadas bacias de infiltração, caracterizadas pela descarga ou esvaziamento se processar apenas por infiltração no solo, sem complemento de dispositivos de drenagem para jusante.

Figura 15: Bacia de retenção seca em Porto Alegre

Fonte: Departamento de Esgotos Pluviais (DEP), Prefeitura de Porto Alegre (2019).

Para além das funções de armazenamento das águas pluviais, as bacias secas podem ter outras funções tais como áreas de jogos e práticas desportivas, parques de lazer e espaços verdes, que podem ser desfrutadas no período em que a bacia permanece seca. Já as bacias de retenção de comportamento hidráulico com nível de água permanente são aquelas que permanecem úmidas, mesmo em períodos com ausência de precipitação (figura 13).

4.2.2 Dimensionamento

De acordo com Paraná (2002), antes do dimensionamento e implantação da bacia de retenção é necessário conhecer alguns aspectos, como:

 Avaliação do nível de cheia;  Segurança pública;

 Disponibilidade de espaço físico;  Clima (regime de precipitação);  Características do solo;

 Tipo de ocupação da bacia;  Sistema de drenagem existente;

 Necessidades e facilidades de manutenção.

As bacias de retenção, como um dispositivo de controle, podem ter sua implantação prejudicada pela forma física do terreno e equipamentos urbanos existentes, principalmente nos casos em que houver necessidade de ponto de despejo (saída), de declividade suave do terreno, de espaço mínimo construtivo e problemas com interferência com outras redes de equipamentos urbanos (PARANÁ. 2002).

Na drenagem urbana, o interesse do dimensionamento de uma bacia de retenção está em conhecer o comportamento da bacia hidrográfica utilizando modelos matemáticos hidrológicos e hidráulicos, com o objetivo de prever o hidrograma do projeto. A partir destes, é possível realizar o planejamento e definir as intervenções necessárias na bacia conhecendo os pontos críticos sujeitos a inundações e verificando a capacidade das estruturas hidráulicas.

Em outras palavras, CERTU (2003) afirma que o dimensionamento de uma bacia de retenção tem o objetivo de estimar as vazões que podem ser geradas durante uma precipitação respectiva a um período de retorno (dimensionamento hidrológico) para a determinação do volume do reservatório e da função de esvaziamento (dimensionamento hidráulico).

4.2.2.1 Hidrológico

O dimensionamento hidrológico parte da escolha do período de retorno e em posse dos dados de precipitação e do levantamento das características da bacia hidrográfica. Com isso, é realizada a determinação da chuva crítica de projeto e do escoamento superficial direto. Em seguida, são calculadas as vazões de projeto, que servirão para posterior dimensionamento hidráulico.

Em projetos de drenagem urbana é comum a adoção de uma chuva de projeto para a determinação das vazões máximas a serem suportadas pela estrutura hidráulica a ser projetada (item 4.2.2.2). Com o objetivo de determinar os caudais de ponta que servirão de base ao dimensionamento das bacias de retenção, a fórmula racional é reconhecidamente a de maior utilização e divulgação à escala mundial. Desde que se tomem em consideração as suas limitações, a adequação dos seus parâmetros de base e a correta definição dos procedimentos da sua aplicação, é seguramente muito útil (BICHANÇA, 2006).

No hidrograma concebido através do método racional considera- se que o tempo para o pico é igual ao tempo de concentração da bacia. A utilização da fórmula racional requer o conhecimento da área e tipo de ocupação do solo da bacia hidrográfica, do tempo de concentração e das curvas IDF (intensidade- duração – frequência) para um dado período de retorno. A expressão de cálculo do método racional é apresentada na Equação 1:

Q

=

CIA

360

Em que:

Q - Caudal de pico (m³ /s)

C - Coeficiente de escoamento médio superficial ponderado I - Intensidade de precipitação (mm/h)

A - Área da bacia (ha)

O método racional não leva em consideração a umidade antecedente no solo e não considera o efeito da intensidade da chuva no coeficiente C. Para que esse método de cálculo seja válido, a área de contribuição deve ser pequena, entretanto, há muita discordância quanto ao valor limite entre diferentes autores.

A intensidade (I) deve ser obtida a partir da equação IDF do local de estudo, levando em consideração um tempo de concentração (tc) e um período de retorno (T). Para a estimativa da intensidade da precipitação, é necessário conhecer o tempo de concentração da bacia, já que o

mesmo é considerado igual à duração da precipitação máxima (PÊGO, 2018). Observa-se a figura 16 a influência da forma da bacia no valor de Q.

Figura 16: Geometrias de bacias hidrográficas e respectiva influência nos caudais

Fonte: Adaptado de Martins (2004).

Como pode ser observado na figura acima, quanto maior o comprimento da bacia em relação a sua largura (bacias alongadas), maior será o amortecimento do pico da vazão (Q). Ou seja, quanto mais comprida for a bacia, maior será o tc.

Por sua vez, o período de retorno (T) representa o tempo, em média, que o evento de cheia tem chance de se repetir. O risco de uma vazão ou precipitação é entendido como a probabilidade (p) de ocorrência de um valor igual ou superior num ano qualquer. Conforme pode ser visto na equação 2, o período de retorno (T) é o inverso da probabilidade p (PORTO ALEGRE, 2015).

T=

1

p

De acordo com Tucci (2013) as estimativas de probabilidade de cheia de um determinado local podem ser realizadas com base em: (a) série observada de vazões; (b) regionalização de vazões; e (c) precipitação e uso de modelo precipitação – vazão. Na tabela 3 observa-se os valores mais usuais adotados para o valor de T.

Tabela 3: Períodos de retorno usuais

TIPO DE OBRAS POTENCIAIS DANO DE INUNDAÇÃO T em anos

Coletor de águas

pluviais Impede o tráfego. 2 a 5

Coletor urbano nas

ruas Impede acessos de emergência. 10 a 25

Controle rural de inundação

Danos a estradas de rodagem.

20 a 50 Danos as plantações Controle urbano de inundação Danos às propriedades. 100 Danos à infraestrutura.

Fonte: Adaptado de Chin (2013).

Conforme Chin (2013) na prática da engenharia é comum utilizar-se do termo “inundação de 100 anos”, entretanto, o uso dessa expressão deve ser evitado pois induz a um entendimento de que o evento ocorrerá 1 vez a cada 100 anos. A ASCE (1992) recomenda que para divulgação pública deve ser mencionada a probabilidade anual: deve-se dizer que a inundação tem probabilidade de 1% de acontecer em cada ano.

Finalmente, conforme Paraná (2002), o coeficiente de escoamento superficial C de uma bacia pode ser estimado pela ponderação dos coeficientes das diferentes superfícies da área contribuinte. Considerando uma bacia urbana onde podem existir dois tipos de superfícies, permeável e impermeável, é possível estabelecer que o valor de C pela equação 3:

C=

𝐶𝑝𝐴𝑝 +𝐶𝑖𝐴𝑖

𝐴

Onde:

Cp é o coeficiente de escoamento de área permeável da bacia; Ap é a área da bacia com superfície permeável;

Ai é a somatória das áreas impermeáveis e At = Ap+ Ai, a área total.

Os coeficientes de escoamento recomendados para as superfícies urbanas estão apresentados na tabela 4. Na tabela 5 são apresentados coeficientes de escoamento com base em superfícies em áreas agrícolas.

Tabela 4: Valores médios do coeficiente C da fórmula racional – Áreas urbanas

Tipo de ocupação Coeficiente C

Zonas verdes:

Relvados em solos arenosos 0,05-0,20 Relvados em solos pesados 0,15-0,35

Parques e cemitérios 0,10-0,25 Campos desportivos 0,20-0,35 Zonas comerciais: Centro da cidade 0,70-0,95 Periferia 0,50-0,70 Zonas residenciais:

Vivendas no centro da cidade 0,30-0,50

Vivendas na periferia 0,25-0,40 Prédio multifamiliar 0,50-0,70 Zonas industriais: Indústria dispersa 0,50-0,80 Indústria concentrada 0,60-0,90 Vias férreas 0,20-0,40 Ruas e estradas: Asfaltadas 0,70-0,95 De concreto 0,80-0,95 De tijolos 0,70-0,85 Passeios 0,75-0,85 Telhados 0,75-0,95 Baldios 0,10-0,30

Fonte: adaptado de Chow (2016).

O coeficiente de escoamento de área com superfícies variáveis pode ser estimado através de uma ponderação de valores de C. O coeficiente de escoamento, embora muito tabelado, tem o inconveniente de não levar em conta a variação temporal da chuva, e não é adequado para cálculo de volumes (TUCCI, 2013).

Tabela 5: Valores médios do coeficiente C da fórmula racional – Áreas agrícolas

Tipo de solos

Cobertura da bacia

Culturas Pastagens Bosques e florestas Coeficiente C Capacidade de infiltração superior à média, geralmente arenosos. 0,20 0,15 0,10 Capacidade de infiltração média,

sem camadas de argila.

0,40 0,35 0,30

Capacidade de infiltração inferior à média, solos argilosos, solos delgados

sobre rocha impermeável.

0,50 0,45 0,40

Fonte: adaptado de Chow (2016).

Os valores para o coeficiente de escoamento C, apresentados nas tabelas 4 e 5 correspondem a um período de retorno T entre 5 e 10 anos. Para outros valores de T é necessário a correção através do coeficiente K1 de ajustamento apresentado na tabela 6.

Tabela 6: Coeficiente de ajustamento em função do período de retorno

Período de retorno (anos) K1

25 1,1

50 1,2

100 1,25

Fonte: adaptado de JAE (1998).

Quando o local estudado possui dados históricos de vazão confiáveis e as características da bacia permanecem inalteradas, uma distribuição estatística, geralmente o método de Gumbel, pode ser aplicada para produzir hidrograma para diferentes períodos de retorno (PÊGO,2018).

4.2.2.2 Hidráulico