MANEJO DE ÁGUAS PLUVIAIS ATRAVÉS DE UM SISTEMA DE BIORRETENÇÃO

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MANEJO DE ÁGUAS PLUVIAIS ATRAVÉS DE UM SISTEMA DE

BIORRETENÇÃO

Tássia dos AnjosTenório de Melo 1*; Artur Paiva Coutinho 2; Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral 3

Resumo – As superfícies impermeáveis são muito presentes, principalmente em áreas urbanas. Em

razão disso, o sistema de drenagem urbana tradicional permanece imutável e sobrecarregado. Sistemas de biorretenção são técnicas que visam compensar os impactos negativos consequentes dessa expansão impermeável, como o controle quali-quantitativo dos volumes gerados superficialmente. Este trabalho apresenta um estudo sobre um sistema de biorretenção, avaliando seu desempenho em situação extrema de funcionamento (saturação), partir das seguintes funções: retenção na superfície do sistema, considerando a saturação na estrutura e solo adjacente; armazenamento, considerando a saturação do solo adjacente e; infiltração, apresentando tempo de encharcamento e lâminas infiltradas e escoadas, quando a intensidade da precipitação superou a capacidade de infiltração do solo natural. No geral, o sistema de biorretenção apresentou bons resultados, principalmente para a função de infiltração, onde 100% das alturas precipitadas foram infiltradas no sistema, enquanto que no solo natural houve escoamento sobre sua superfície. A função de retenção foi eficiente em 42,86% dos momentos analisados, enquanto que a camada de armazenamento foi eficiente em 71,43% dos casos.

Palavras-Chave – Manejo de águas pluviais urbanas, técnica compensatória; monitoramento.

RAINWATER MANAGEMENT THROUGH A BIORRETENÇÃO

SYSTEM

Abstract – The impervious surfaces are very present, especially in urban areas. As a result, the

traditional urban drainage system remains unchanged and overwhelmed. Biorretenção systems are techniques to offset the consequent negative impacts of this waterproof expansion, such as qualitative and quantitative control of the volumes generated surface. This paper presents a study on a biorretenção system, evaluating their performance in extreme operating condition (saturation), from the following functions: retention in the system surface, considering the saturation in the structure and surrounding soil; storage, considering the saturation of the soil adjacent to and; infiltration, with time waterlogging and infiltrated blades and disposed, when the intensity of rainfall exceeded the natural soil infiltration capacity. In general, the biorretenção system showed good results, especially for infiltration function, where 100% of the precipitated heights were infiltrated in the system, while the natural soil was flow over its surface. The retention function is effective in 42.86% of the analyzed moments, while the storage layer was 71.43% efficient at the cases.

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INTRODUÇÃO

Os processos de urbanização geram forte pressão espacial sobre as bacias urbanas, tornando-as cada vez mais vulneráveis tornando-as modificações de uso e ocupação do solo. O aumento dtornando-as áretornando-as impermeáveis intensificam os impactos negativos sobre os cursos d’água, proporcionando também significativas mudanças na dinâmica do sistema de drenagem. Alguns desses impactos negativos são: o aumento do volume e da velocidade do escoamento superficial; aumento da frequência de alagamentos e cheias, principalmente à jusante pela elevação dos picos das descargas; comprometimento da qualidade das águas superficiais e subterrâneas; comprometimento da população, deixando-a vulnerável a riscos materiais e humanos (Righetto (2009); Tucci (2009)).

Nesse contexto, técnicas compensatórias têm sido estudadas para dar suporte ao sistema de drenagem urbana existente. Elas têm como objetivos minimizar os efeitos da urbanização, diminuir a geração dos volumes de escoamento e vazões a jusante, maximizar o controle na fonte, resgatar os processos envolvidos no ciclo hidrológico e potencializar o controle da qualidade das águas e a recarga de aquíferos. Alguns exemplos são as trincheiras de infiltração, pavimentos permeáveis, sistemas de biorretenção, valas de infiltração, bacias de retenção, entre outros (Davis (2008); Righetto (2009); Roy-Poirier et al. (2010); Baptista et al. (2011); Santos et al. (2013)).

Sistemas de biorretenção, também conhecidos como jardins de chuva, tendem a proporcionar a máxima infiltração das águas escoadas e o crescimento vegetativo, controlando a quantidade e qualidade das águas advindas do escoamento superficial, através das propriedades químicas, biológicas e físicas das plantas, microorganismos e solo compõem o sistema (Trowsdale e Simcock (2011)).

Existem variadas metodologias desenvolvidas para elaborar o projeto de um sistema de biorretenção, os quais variam de acordo com a escala do experimento, características locais e área de implantação e, assim como a estrutura do sistema, não há um padrão de projeto definido. Em relação à escala, o projeto pode ser realizado pontualmente, coletando águas de pequenas áreas superficiais, sendo dimensionados através de uma proporção de 5% a 20% da superfície impermeável (Christensen e Schmidt (2008); Li e Zhao (2008)).

No que se refere às características locais, deve-se considerar aspectos como os índices pluviométricos, estudo do solo e topografia, a fim de conhecer o comportamento dos eventos, as condições hidráulicas do solo e o caminho das águas no meio urbano (Prince George’s County (2007); Davis et al (2009); Li et al. (2010)).

Dessa forma, a composição estrutural e as informações adquiridas nas etapas de planejamento e projeto são essenciais para o bom funcionamento dos sistemas de bioretenção. Assim, este trabalho apresenta a estrutura, projeto e avaliação de um sistema de bioretenção, enfocando seu desempenho como estrutura de retenção, armazenamento e infiltração das águas pluviais urbanas.

MATERIAIS E MÉTODOS Descrição da área de estudo

A cidade de Recife, Pernambuco, está localizada em uma planície um pouco acima do nível do mar (2 m a 10 m), sendo rodeada por morros e elevações topográficas, proporcionando o

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acúmulo de água em seu interior, dificultando a drenagem natural das águas em épocas chuvosas. Possui um clima tropical quente e úmido do tipo As, de acordo com a classificação climática de Köppen, e média histórica anual da precipitação dos últimos 20 anos de 2.219 mm, sendo o mês de junho o de maior precipitação – média histórica anual dos últimos 20 anos de 413,01 mm.

O sistema de biorretenção piloto foi instalado na Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, e projetado para receber águas advindas de uma fração do telhado do Laboratório de Hidráulica, equivalente a uma área de 74,80 m². A caracterização do solo natural foi determinada mediante amostras de solo coletadas a variadas profundidades utilizando a NBR 7181 (1984) e a classificação textural da Embrapa (EMBRAPA (2006)), sendo apresentada na Tabela 1. A taxa de infiltração da superfície do solo natural foi de 28,49 mm/h.

Tabela 1 – Classificação textural do solo natural da área de estudo. Camadas (cm) Classificação Camadas (cm) Classificação

0-10 Franco Argilo Arenoso 90-100 Franco

10-20 Franco Argilo Arenoso 100 Franco Arenoso

20-30 Franco Arenoso 100-110 Franco Argilo Arenoso

30-40 Franco Arenoso 110-120 Franco Arenoso

40-50 Franco Arenoso 120-140 Franco Arenoso

50-60 Franco 140-160 Franco Arenoso

80-90 Franco

Descrição do sistema de biorretenção

O projeto foi realizado a partir da porcentagem mínima da área impermeável, 5%, tendo uma área de 3,74 m². Para efeitos de cálculo e regularidade no desenho do experimento, a área adotada foi de 4,00 m², sendo 2,00 m cada lado.

A composição estrutural do sistema foi definida a partir do dimensionamento da camada de armazenamento. Os procedimentos para determinação da altura da camada de armazenamento foram os seguintes: I. intensidade de precipitação; II. altura de precipitação; III. volume de entrada; IV. volume de saída e; V. altura de brita (MELO et al. (2014)). A composição estrutural é apresentada na Figura 1.

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A percentagem de matéria orgânica da primeira camada do sistema de biorretenção foi de 37,85 %, determinada pelo Método Walkley-Black modificado (SILVA (1999)). A taxa de infiltração média da superfície do sistema foi de 312 mm/h (MELO et al. (2014)).

Para o monitoramento do sistema foram instalados os seguintes equipamentos: um pluviômetro, um sensor de nível no interior de um piezômetro instalado da camada de armazenamento e um conjunto de captação das águas superficiais do telhado, formado por uma calha metálica e um tubo de queda direcionado ao sistema de biorretenção.

Análise das funções de retenção, armazenamento e infiltração

Na função de retenção foi analisada capacidade do sistema reter as águas em sua superfície, considerando que a camada de armazenamento e o solo natural estão saturados. O volume máximo de retenção é de 400 L.

No tocante ao armazenamento, foi avaliado o desempenho do sistema como estrutura capaz de armazenar as águas no seu interior, através do monitoramento da altura da coluna d’água na camada de brita, novamente considerando que o solo adjacente está saturado. O volume máximo de armazenamento é de 1.456 L, considerando a porosidade de 52% relativo a brita do tipo 19.

Na função de infiltração foram comparados os comportamentos da superfície do solo natural e da superfície do sistema de biorretenção, como adotado em Jenkins et al. (2010). Para tal, foi utilizada a equação proposta por Horton (1940) (Equação 1), com os parâmetros já ajustados e apresentando uma validação positiva para medir a quantidade de água infiltrada. Através da equação foi possível estimar o tempo de encharcamento do solo (Equação 2) e as lâminas de água infiltrada e escoada superficialmente em cada evento (Equação 3).

𝐼_𝑡 = 28,49 + (1487,94 − 28,49) ∙ 𝑒−65,90𝑡 ₍₁₎

𝑡_𝑒 = −𝑙𝑛(1487,94−28,49𝐼𝑡−28,49 )

65,90 (2)

𝐿𝑖𝑛𝑓 = (1487,94−28,49)_65,90 ⋅ (1 − 𝑒−65,90𝑡𝑒) + 28,49 ⋅ 𝑡𝑒 (3)

Sendo: 𝐼_𝑡 a taxa de infiltração no tempo “t” (mm/h); 𝑡_𝑒 o tempo de encharcamento (min); 𝐿_𝑖𝑛𝑓 a lâmina infiltrada (mm).

RESULTADOS

A escolha dos eventos foi baseada na série de precipitações ocorrida no período de 11/04 a 11/07. Foram selecionados os quatro eventos com maiores valores de altura de precipitação, sendo dois considerando somente a precipitação direta sobre o sistema de biorretenção – 1º período – calha não instalada; e dois considerando a precipitação direta somada ao volume advindo do telhado – 2º período – calha instalada (Figura 2). Já na Figura 3 são apresentados o monitoramento diário de cada evento selecionando, destacando os momentos analisados neste estudo.

No que tange a função de retenção na superfície do sistema de biorretenção, houve extravasamento da estrutura em 4 momentos, coincidindo com os momentos do 2º Período (com

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calha instalada). A Tabela 3 apresenta os valores retidos na superfície, à porcentagem ocupada em relação aos 400 L máximos e os volumes excedidos, caso tenha ocorrido extravasamento.

Figura 2 – Precipitação do estudo, destacando os períodos.

Figura 3 – Monitoramento diário dos eventos selecionados, com destaque para os momentos analisado em cada evento.

Avaliando a função de armazenamento, apenas dois momentos apresentaram volumes superficiais maiores do que o suportado pela camada de armazenamento (1.456,00 L). Esses dois momentos representam os blocos de valores de precipitação mais elevados, gerando consequentemente volumes altos (IV – 4.443,40 L e V – 2.702,05 L).

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Os dados referentes ao armazenamento são apresentados na Tabela 3, correspondendo ao volume armazenado, à porcentagem da camada de armazenamento utilizada e, em caso de extravasamento, o volume excedido.

Tabela 2: Análise da função de retenção.

Momento Volume retido (L) % retenção Volume excedido (L)

I 305,82 76,45 - II 136,14 34,04 - III 280,42 70,10 - IV 400,00 100,00 4.043,40 V 400,00 100,00 2.302,05 VI 400,00 100,00 460,65 VII 400,00 100,00 40,33

Tabela 3: Análise da função de armazenamento.

Período Volume armazenado % armazenado Volume excedido (L)

I 305,82 21,00 - II 136,14 9,35 - III 280,42 19,26 - IV 1.456,00 100,00 2.987,37 V 1.456,00 100,00 185,58 VI 860,65 59,11 - VII 440,33 30,24 -

Na análise da função de infiltração no solo natural foi verificada que para chuvas de intensidade maiores do que a capacidade do solo natural houve escoamento superficial, ocorrendo em todos os momentos do 1º Período. Na Tabela 4 são apresentados o tempo de encharcamento e as lâminas infiltradas e escoadas para cada momento considerado na superfície do solo natural e no sistema de biorretenção.

Tabela 4: Análise da função de infiltração. Momento /

Duração (h)

SOLO NATURAL SISTEMA DE BIORRETENÇÃO

t_e (min) L_inf (mm) L_esc (mm) t_e (min) L_inf (mm) L_esc (mm)

I 2 4,56 24,16 52,29 - 76,45 - II 1 5,07 24,47 9,57 - 34,04 - III 2 4,92 24,38 45,72 - 70,10 - IV 7 - 56,38 - - 56,38 - V 9 - 34,29 - - 34,29 - VI 2 - 10,92 - - 10,92 - VII 1 - 5,59 - - 5,59 -

* Os valores de 𝐿𝑖𝑛𝑓 e 𝐿𝑒𝑠𝑐 são considerados para 1m².

É interessante observar que nos momentos de escoamento superficial (I, II e III), os valores das lâminas infiltradas se aproximaram da capacidade de infiltração do solo natural (28,4 mm/h). Isso representa a limitação de solo natural em infiltrar maiores valores de alturas de precipitação em pouco tempo de duração do evento.

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Nos momentos IV e V, a infiltração é mais presente, principalmente pela distribuição mais uniforme da precipitação em intervalos de tempos consideravelmente longos (7 e 9, respectivamente). Essa situação já não ocorre nos momentos finais do estudo, em que apresentam intervalos de duração da chuva curtos como os do 1º Período, porém as alturas pluviométricas não foram tão elevadas, ou seja, a intensidade foi pequena.

Já observando os dados de infiltração referentes ao sistema de biorretenção, tem-se que todas as alturas de precipitação foram infiltradas nos tempos de ocorrência do evento.

CONCLUSÕES

Em relação à função de retenção, em 57,14% dos períodos chuvosos analisados ocorreu extravasamento no sistema de biorretenção. Para tal, foi considerada uma situação extrema do sistema, onde o mesmo encontra-se em saturação.

O desempenho do sistema em relação ao armazenamento das águas pluviais foi considerado bom, tendo a camada de armazenamento, volume disponível suficiente em 71,43% dos momentos analisados. Apenas em dois momentos a capacidade de armazenamento foi solicitada em sua totalidade, correspondendo aos momentos de maiores intensidades do estudo (IV – 56,39 mm e V – 34,29 mm).

Comparando o processo de infiltração no sistema de biorretenção com a superfície do solo natural, constata-se que em todos os momentos o sistema foi capaz de infiltrar 100% do volume superficial.

Deve-se ressaltar que as funções analisadas não podem ser estudadas separadamente, visto que os processos de retenção, armazenamento e infiltração acontecem de maneira concomitante. Assim, o sistema de biorretenção pode ser uma boa opção para o manejo das águas pluviais urbanas, sendo este trabalho um pequeno avanço dos estudos sobre essa temática.

É necessário aperfeiçoar e aprofundar os estudos sobre o desempenho desse sistema, ainda na questão quantitativa, e investigar questões qualitativas de controle e remoção de sedimentos e poluentes.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Facepe, pela concessão das bolsas de doutorado, que possibilitaram o desenvolvimento desta pesquisa e ao MAPLU - Manejo de Águas Pluviais em Meio Urbano.

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