UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI LUCIANO SOARES DA SILVA SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS ADOTADOS EM CONDOMÍNIOS RESIDENCIAIS E COMERCIAIS.

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1 UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI LUCIANO SOARES DA SILVA SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS ADOTADOS EM CONDOMÍNIOS RESIDENCIAIS E COMERCIAIS. SÃO PAULO 2008

2 ii LUCIANO SOARES DA SILVA SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS ADOTADOS EM CONDOMÍNIOS RESIDENCIAIS E COMERCIAIS. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi. Orientador: Prof. MSc. José Carlos de Melo Bernardino SÃO PAULO 2008

3 iii LUCIANO SOARES DA SILVA SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS ADOTADOS EM CONDOMÍNIOS RESIDENCIAIS E COMERCIAIS. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi Trabalho em: de de José Carlos de Melo Bernardino Nome do professor(a) da banca Comentários:

4 iv AGRADECIMENTOS Ao buscar um sentido para realizar este trabalho, parei para pensar na importância de minhas raízes, nos valores da vida que foram passados e na minha formação como cidadão. Agradeço a todas as pessoas que são especiais pra mim, e dedico além destas páginas a minha vida. Obrigado aos meus pais, que sempre confiaram e investiram na minha educação, aos meus familiares e amigos, que muitas vezes fui ausente, aos grandes professores que participaram da minha formação e ao meu cachorro (grande companheiro e amigo).

5 v RESUMO As águas da chuva, com o desenvolvimento das cidades, passaram a apresentar um comportamento, tanto quantitativamente como qualitativamente, diferente do natural. A Drenagem Urbana tem a função de minimizar os impactos das inundações nas cidades, sendo dividida em Microdrenagem, Macrodrenagem e Medidas de Controle na Fonte. Atualmente a Drenagem Urbana tende ao enfoque sustentável, implicando no planejamento da ocupação do espaço, recuperação da capacidade natural de infiltração e o aumento do tempo de concentração da bacia. Este Trabalho de Conclusão de Curso vai discutir conceitos básicos de Drenagem Urbana, dando ênfase às Medidas de Controle na Fonte que podem ser adotadas em condomínios, causando um menor impacto na rede urbana e atribuindo à sociedade uma parcela de responsabilidade. Palavras - chave: Drenagem Urbana, Medidas de Controle na Fonte, Condomínios.

6 vi ABSTRACT After the development of towns, there was a change in the natural behavior of the rainwater both qualitatively and quantitatively. The Urban Drainage must minimize the impacts of the flood in towns and its study can be divided in Macrodrainage, Microdrainage and Source Control Measures. Nowadays, the Urban Drainage projects have been applying concepts of sustainable development such as adequate planning of the urban space, restoration of the natural condition of the basin seepage and increasing of the time of concentration. This work presents a brief study about the basic concepts of urban drainage emphasizing the source control methods which could be used in condominiums, with the aims both to reduce the impacts on the drainage patterns and to attribute part of responsibility to the society. Words key: Urban Draining, Source Control Measures, Condominiums.

7 vii LISTA DE FIGURAS Figura Componentes do ciclo hidrológico (TUCCI, 2002)... 6 Figura Hidrograma Triangular (TUCCI, 1995) Figura Inundações Ribeirinhas (TUCCI, 2002) Figura Hidrograma da área urbanizada x área não urbanizada (TUCCI, 2002) Figura Detalhe de poço de infiltração (SILVEIRA, 2002) Figura Perspectiva da fachada do empreendimento (Cyrela, 2008) Figura 6.2 Disposição das piscininhas de águas pluviais (CYRELA, 2008) Figura Perspectiva geral da implantação (Cyrela, 2008)... 37

8 viii LISTA DE TABELAS Tabela Coeficiente C Tabela Valores de CN Tabela Tipos de Solo

9 ix LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS C graus Celsius A área Art. artigo Av. avenida C coeficiente de perdas CN número da curva (curve number) C.T.H. Centro Tecnológico de Hidráulica d duração da chuva E.S.D. escoamento superficial direto h exc h p h q i IAG km km² Ltda m m/h m/s altura de chuva excedente altura precipitada altura escoada intensidade da precipitação Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas quilômetro quilômetro quadrado limitada metro metros por hora metros por segundo m² metro quadrado m³ metro cúbico m³/s metro cúbico por segundo mm milímetro mm/h milímetro por hora mm/min milímetro por minuto n.º número PVC poli cloreto de vinila Q p S.A. S.S. vazão de pico sociedade anônima sociedade simples (antiga sociedade civil)

10 x t b t c t p TR UAM USP tempo de base tempo de concentração tempo de pico período de retorno Universidade Anhembi Morumbi Universidade de São Paulo

11 xi LISTA DE SÍMBOLOS = igual < menor > maior % porcentagem parágrafo Σ somatório menor ou igual maior ou igual + soma grau

12 xii SUMÁRIO p. 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico MÉTODO DE TRABALHO JUSTIFICATIVA DRENAGEM URBANA Ciclo Hidrológico Introdução Modelos hidrológicos Precipitação Modelos de transformação chuva-vazão Alterações no ciclo hidrológico devido à urbanização Inundações Urbanas Inundações ribeirinhas Inundações devido à urbanização Técnicas de Drenagem Urbana Histórico da drenagem urbana no Brasil Macrodrenagem Microdrenagem Controle na fonte Cobertura vegetal Pavimentos porosos Poços de infiltração... 29

13 xiii Reservatórios para acumulação das águas pluviais Drenagem de águas, segundo a legislação da Prefeitura do Município de São Paulo ESTUDO DE CASO Apresentação Cyrela Brazil Realty Apresentação do Condomínio Residencial Humanari Projetos Executivos Memoriais Descritivos Apresentação fotográfica ANÁLISE DOS RESULTADOS CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 47

14 1. INTRODUÇÃO O caminho percorrido pela água da chuva sobre uma superfície pode ser bem definido topograficamente, mas com a implantação das cidades, o percurso das enxurradas passa a ser determinado pelo traçado das ruas e acaba se comportando, tanto quantitativa como qualitativamente, de maneira bem diferente de seu comportamento natural. Assim, quem sai de sua casa em dias de chuva não quer caminhar em calçadas e ruas alagadas ou caso saia de carro, não quer ter seu itinerário interrompido devido a uma pane causada pelo contato da água com o motor. Também, é intolerável que a circulação das águas na cidade seja veículo de contaminação ou cause risco de vida por afogamentos ou desastres, como a destruição de edificações. Minimizar a presença de excessos de circulação de águas, especialmente pluviais, no meio urbano é a principal função da Drenagem Urbana. Antigamente a Drenagem Urbana tinha o enfoque sanitário-higienista, isto é conduzir toda a água circulante rapidamente aos condutores pluviais, transferindo todo o problema a jusante da bacia. Nos dias de hoje, há uma tendência à aplicação do enfoque sustentável, que implica em alguns pontos fundamentais, tais como: planejamento da ocupação do espaço urbano obedecendo aos mecanismos naturais do escoamento; recuperação da capacidade natural de infiltração da bacia hidrográfica; e aumento do tempo de concentração da bacia através de mecanismos de retenção do escoamento excedente. A Drenagem Urbana pode ser divida em Sistemas de Microdrenagem, Sistemas de Macrodrenagem e Medidas de Controle na Fonte.

15 2 A Microdrenagem é definida como o sistema de condutos livres para coleta e condução das águas pluviais. Os elementos constituintes da microdrenagem são os meio-fios, as sarjetas, as bocas de lobo, os poços de visita, as galerias e os sarjetões. A Macrodrenagem recebe geralmente os aportes da microdrenagem e é constituída por córregos, riachos e rios da zona urbana. O rol clássico de obras de macrodrenagem constitui-se de ampliação de calhas/seções de canais naturais, construção de canais artificiais, além de estruturas auxiliares para controle, dissipação de energia e amortecimento de picos, como os piscinões, proteções contra erosões/assoreamento e travessias. As Medidas de Controle na Fonte promovem a redução e a retenção do escoamento pluvial de forma a desonerar os sistemas tradicionais de esgotamento pluvial, reduzindo e retardando os escoamentos urbanos. Podem ser divididos em dispositivos de armazenamento e dispositivos de infiltração. Neste Trabalho de Conclusão de Curso, serão abordados os Sistemas de Drenagem Urbana, dando-se ênfase às Medidas de Controle na Fonte que podem ser adotas por Condomínios Residenciais e Comerciais, diminuindo os impactos na rede urbana, além de agregar uma parcela da responsabilidade à sociedade. O estudo de caso é composto por uma análise das Medidas de Controle na Fonte adotadas em um Condomínio Residencial locado em uma área de risco de alagamentos da Zona Sul da cidade de São Paulo.

16 3 2. OBJETIVOS Neste capítulo serão abordados os objetivos deste Trabalho de Conclusão de Curso. 2.1 Objetivo Geral Aplicação de Sistemas de Drenagem Urbana (controle na fonte) para escoar o excesso de água, visando o combate às inundações nos meios urbanos, diminuindo impactos na rede pública de drenagem. 2.2 Objetivo Específico Aplicação de sistemas de drenagem utilizados em condomínios residenciais e comerciais, como: - construção de áreas permeáveis, como jardins, playgrounds e áreas de convivência com cobertura vegetal; - aplicação de piso permeável no calçamento externo da edificação; - aplicação de pavimento poroso nas vias de acesso; - aplicação de piso permeável em áreas destinadas à carga e descarga e estacionamentos; - construção de poços de infiltração; - construção de reservatórios para acumulação das águas pluviais (Lei n , de 04 de Janeiro de 2002 São Paulo).

17 4 3. MÉTODO DE TRABALHO As informações usadas para composição deste Trabalho de Conclusão de Curso foram colhidas em pesquisas bibliográficas em acervos técnicos da Universidade Anhembi Morumbi, USP, CTH e Centro Cultural de São Paulo. Além da pesquisa bibliográfica, foram utilizados memoriais técnicos, relatórios, artigos científicos, artigos de revistas e materiais didáticos, todos disponibilizados na web. Para o estudo de caso, foi executado o acompanhamento das obras do condomínio Humanari, em São Paulo, com coleta de dados dos projetos executivos de hidráulica, elétrica, drenagem, paisagismo, memoriais de cálculos para dimensionamento dos dispositivos, relatórios fotográficos e ao acervo técnico da construtora.

18 5 4. JUSTIFICATIVA Atualmente, as condições de impermeabilização nas cidades, a presença de resíduos e efluentes na rede e as alterações promovidas pela urbanização e pelos próprios sistemas de drenagem nas características naturais do ciclo hidrológico provocam uma aceleração e aumento volumétrico do escoamento superficial em detrimento da infiltração e da detenção natural da bacia. Isto faz com que os volumes d água atinjam rapidamente os canais e corpos receptores, naturais e artificiais, os quais podem ser sobrecarregados quando da ocorrência de uma chuva intensa. Ao redor destes locais, e em função do nível d água máximo atingido nestas precipitações, configura-se uma área de abrangência onde estão instaladas vias, edificações e residências, provocando uma vulnerabilidade da população. Com isso, há a necessidade de aplicar uma ação de Gestão Sustentável na Drenagem Urbana, podendo ser disciplinadora (legislação, educação e conscientização), preventiva e corretiva. As soluções apresentadas nesta pesquisa são ações estruturais aplicadas na fonte, no caso, condomínios residenciais e comerciais, que contribuirão para diminuição de impactos na rede pública de drenagem urbana, agregando assim uma parcela de responsabilidade à sociedade.

19 6 5. DRENAGEM URBANA 5.1 Ciclo Hidrológico Introdução O ciclo hidrológico é o fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela energia solar associada à gravidade e rotação terrestres. A superfície terrestre abrange os continentes e os oceanos, participando do ciclo hidrológico a camada porosa que recobre os continentes (solos, rochas) e o reservatório formado pelos oceanos. Já a atmosfera possui uma diversidade de condições físicas importantes, sendo que a maioria dos fenômenos metereológicos acontece na fina camada inferior da atmosfera, chamada troposfera, onde está contida a quase totalidade da umidade atmosférica (TUCCI, 2002). O ciclo hidrológico pode ser descrito em: - precipitações (chuvas, granizo, neve, orvalho); - infiltração (águas subterrâneas); - escoamentos superficiais (torrentes, rios e lagos); - evaporação (na superfície das águas e no solo) e transpiração dos vegetais. Figura Componentes do ciclo hidrológico (TUCCI, 2002)

20 7 A precipitação, na sua forma mais comum que é a chuva, ocorre com a aglutinação e crescimento das microgotículas, em nuvens, que em grande quantidade adquirem tamanho e peso, sendo atraídos para a superfície terrestre pela gravidade. É, por si só, um fenômeno de origem meteorológica complexa, apresentando grande variabilidade temporal e espacial. Caindo sobre um solo com cobertura vegetal, parte do volume precipitado sofre interceptação em folhas e caules, de onde, por ação dos ventos, uma parcela pode ainda atingir o solo. A evaporação depende de fatores climáticos, de características da superfície evaporante e da disponibilidade de água para evaporar. Já na queda a chuva sofre evaporação. Ocorre também evaporação de uma parcela da água interceptada. Grande parte da evaporação advém, entretanto, da água presente sobre o solo e dentro dele. Fatores climáticos, como a radiação solar, o período de insolação, a temperatura do ar, a umidade relativa, o perfil de velocidades do vento e a pressão atmosférica, influenciam na evaporação. Propriedades energéticas da superfície, como o albedo e a emissividade, completam as grandezas para o estabelecimento da evaporação potencial. Mas será a textura, a estrutura e as dimensões dos solos e seus perfis de umidade que condicionarão a evaporação real. A transpiração, que junto com a evaporação compõe a evapotranspiração, depende dos mesmos fatores climáticos da evaporação. Entretanto, em sendo um fenômeno biológico na interface solo-atmosfera, a transpiração real depende da vegetação e da umidade do solo. A infiltração promove a recarga da umidade do solo, permitindo que parte da precipitação que atinge a superfície penetre a zona não saturada do solo. Há infiltração total da água no solo (um meio poroso) enquanto sua superfície não se satura, ou seja, enquanto não há formação de uma delgada camada superficial de solo onde todos os seus poros estão plenos d água. A partir deste momento, havendo precipitação suficiente, com a saturação avançando verticalmente a infiltração decresce tendendo a uma taxa residual. A umidade do solo realimentada pela infiltração é aproveitada em parte pelos vegetais que a absorvem pelas raízes e devolvem quase tudo para a atmosfera na forma de vapor d água transpirado. A infiltração e a percolação na zona não saturada são governadas pelas tensões

21 8 capilares nos poros e pela gravidade. A percolação acontece na zona não saturada quando sua umidade, excluídas as parcelas aproveitadas pelos vegetais e as evaporadas pela superfície do solo, se desloca no interior do meio poroso. Pode haver percolação em macroporos, gerando escoamento hipodérmico, ou percolação vertical para o lençol freático (zona saturada), onde se forma o escoamento de base dos cursos d água (TUCCI, 2002). O escoamento superficial é o excesso não infiltrado da precipitação que caminha sobre o solo pela ação da gravidade, na direção das cotas mais baixas, vencendo principalmente o atrito com a superfície do solo. É, por isso, um escoamento rápido se comparado ao escoamento subterrâneo e mesmo ao hipodérmico. Pode ser capturado por depressões e banhados (detenção superficial), onde infiltra, evapora ou é amortecido. O escoamento superficial livre manifesta-se inicialmente na forma de pequenos filetes de água que se moldam ao microrrelevo do solo. A erosão de partículas de solo em seus trajetos na topografia existente molda, por sua vez, uma microrrede de drenagem efêmera que converge para a rede de cursos d água mais estáveis, formada por córregos e rios Modelos hidrológicos Precipitação A precipitação é entendida como toda água proveniente do meio atmosférico, que atinge a superfície terrestre. A determinação da intensidade da precipitação é importante para o controle de inundação e a erosão do solo. Por sua capacidade para produzir escoamento, a chuva é o tipo de precipitação mais importante para a hidrologia. As principais características da precipitação são o seu total, sua duração e sua distribuição temporal e espacial (RIGHETTO, 1998). As chuvas podem ser medidas por pluviômetros ou por pluviógrafos. Ambos medem o volume de água precipitada em uma área, representando por uma unidade de comprimento, que é a altura equivalente a cobertura de uma área com o volume precipitado.

22 9 As grandezas que caracterizam uma chuva são (TUCCI, 2002): - a altura pluviométrica espessura média da lâmina de água precipitada que recobriria a região atingida, admitindo-se que essa água não se infiltrasse, e não evaporasse, e nem se escoasse para fora dos limites da região. A unidade de medição habitual é o milímetro de chuva; - a duração é o período de tempo durante o qual a chuva cai. As unidades normalmente utilizadas são o minuto ou a hora; - a intensidade é a precipitação por unidade de tempo, obtida como a relação i = P/t expressa-se normalmente em mm/h ou mm/min; - freqüência ou período de retorno (TR) é, matematicamente, o inverso da freqüência de ocorrência do fenômeno, o que significa, que é o intervalo de tempo que em média o evento (no caso intensidade de precipitação), leva para ocorrer. Para aplicação em Projetos de Engenharia, a precipitação é usualmente quantificada através das denominadas equações intendidade-duração-freqüência (IDF). Estas relações IDF são aplicadas em estimativas das vazões de projeto para fins de dimensionamento de obras hidráulicas, tais como: vertedores de barragens, reservatórios e dispositivos de drenagem, entre outros. Essas relações podem ser expressas de forma gráfica ou por meio das equações de chuvas intensas. Neste trabalho de conclusão de curso, será utilizada para a análise crítica do estudo de caso, a equação IDF para São Paulo (equação 1), para chuvas com duração entre 15 min e 24 h, que foi elaborada pelo I.A.G. USP. = TR i t 0, ,14 5,65. LN LN TR 1 equação (1) Na qual: i: intensidade da precipitação (mm/min);

23 10 t: tempo de duração da chuva (min); TR: período de retorno do evento de chuva (anos) Modelos de transformação chuva-vazão Com um modelo matemático que permita simular a transformação da chuva em vazões em uma bacia hidrográfica, pode-se construir a distribuição de probabilidade das vazões máximas anuais a partir da distribuição das precipitações. Por meio de simulações, são gerados hidrogramas de cheias em função de hietogramas também simulados e, através da análise de freqüência das vazões máximas anuais simuladas, ajusta-se uma distribuição teórica de probabilidade que relacione os períodos de retorno com vazões máximas anuais (RIGHETTO, 1998). Serão apresentados a seguir 02 métodos de transformação da chuva em vazão: o Método Racional e o Método do SCS (Soil Conservation Service). Método Racional O Método Racional é largamente utilizado na determinação da vazão máxima de projeto para bacias pequenas ( 2 km²). Os princípios básicos desta metodologia são (TUCCI, 2000): - Considera, em geral, a duração da precipitação igual ao tempo de concentração da bacia (t c ). Ao considerar esta definição, admite-se que a bacia é suficientemente pequena para que esta situação ocorra, pois a duração é inversamente proporcional à intensidade; - Adota um coeficiente único de perdas, denominado C, estimado com base nas características da bacia (ver Tabela 5.1); - Não considera a distribuição temporal e espacial da chuva; - Não considera o amortecimento das vazões nos canais. Assim, a equação do Método Racional é a seguinte:

24 11 Q p = 0,278. C. I. A (m³/s) equação (2) Onde: I = intensidade da precipitação em mm/h; A = área da bacia em Km²; C = coeficiente de perdas por infiltração. Tabela Coeficiente C. Natureza da Superfície Valores de C Telhados perfeitos, sem fuga. 0,70 a 0,95 Superfícies asfaltadas e em bom estado. 0,85 a 0,90 Pavimentação de paralelepípedos, ladrilhos ou blocos de madeira com juntas bem tomadas. 0,75 a 0,85 Para as superfícies anteriores sem as juntas tomadas. 0,50 a 0,70 Pavimentação de blocos inferiores sem as juntas tomadas. 0,40 a 0,50 Estradas mecadamizadas. 0,25 a 0,60 Estradas de passeio de pedregulho. 0,15 a 0,30 Superfícies não revestidas, pátios de estrada de ferro e terrenos descampados. 0,10 a 0,30 Parques, jardins, gramados e Campinas, dependendo da declividade de solo e natureza do subsolo. 0,01 a 0,20 Fonte: TUCCI, 2002 Segundo TUCCI (1995), o tempo de concentração é um dos parâmetros cruciais do Método Racional, cuja determinação está sujeita a incertezas e imprecisões. A forma de calcular o tempo de concentração é através do método cinemático, onde dividese a bacia em N trechos homogêneos e calcula-se a velocidade do escoamento para cada um deles, dado por: t c = L V i i equação (3) Onde L i = comprimento de cada trecho homogêneo, em metros e V i = velocidade do escoamento no trecho i, em m/s. CANHOLI (2005) relata que os métodos mais adequados para estimativa do tempo de concentração recomendam que o mesmo seja calculado pela soma de duas parcelas, com enfoque cinemático:

25 12 t = t + t equação (4) c s q Onde: t c = tempo de concentração (h) t s = tempo de escoamento em superfícies (h) t q = tempo de escoamento em canais rasos ou galerias (h). Para determinação do tempo de escoamento em superfícies (t s ) é aplicada a seguinte equação (CANHOLI, 2005): 0,5 2 ( n. L) 0,8 0,091. t s = equação (5) 0,4 P. S Sendo que n = coeficiente de rugosidade de Manning (em s/m 5/2 ), L = comprimento do trecho (em m), P2 = total precipitado em 24 horas para recorrência de 2 anos (em mm) e S = declividade do terreno (em m/m). Para a determinação do tempo de escoamento em canais rasos ou galerias (t q ) é aplicada a equação 2 (método cinemático). O tempo de concentração de uma bacia também pode ser calculado por métodos empíricos, onde alguns serão listados abaixo (TUCCI, 1995): Fórmula de Kirpich 1940 t c = 3,989.L 0, 77.S -0,385 equação (6) Onde: L = comprimento do talvegue em km; S = declividade do talvegue em km. Desenvolvida com dados de sete pequenas bacias rurais do Tenesse, com declividades variando de 3 a 10%, e áreas de no máximo 0,50 km².

26 13 Califórnia Culverts Practice 1942 t c = 57.L 1, 155.H -0,385 equação (7) Onde: L = comprimento do talvegue em km; H = diferença entre as cotas da seção de saída e o ponto mais a montante da bacia em m. É a fórmula de Kirpich, em que S foi substituído por L/H. SCS Lag Formula 1975 t c = 3,42.L 0, 8.[(1000/CN) 9] 0,7.S -0,5 equação (8) Onde: L = comprimento do talvegue em km; S = declividade do talvegue em km; CN = número da curva (método do SCS). Recomendado para aplicação em bacias urbanas, com ajustes em função da área impermeabilizada e da parcela dos canais que sofreram modificações. Baseando-se nos métodos apontados, consegue-se montar um gráfico ao longo do tempo (hidrograma), onde a área é o volume do escoamento superficial direto. Os hidrogramas são caracterizados pelo seu volume e pela sua forma. Sendo assim, o hidrograma é determinado a partir de um hietograma de chuva excedente, modificado pelas características de escoamento da bacia (TUCCI, 1995). No caso do Método Racional, levando em conta as considerações apontadas anteriormente, representa-se pelo Hidrograma Triangular (Figura 5.2), desde que seja considerado o tempo de concentração da bacia igual ao tempo de duração da chuva.

27 14 Figura Hidrograma Triangular (TUCCI, 1995) Método SCS (Soil Conservation Service) Em bacias maiores do que 2 km², em função de suas hipóteses de cálculo, o Método Racional pode induzir a grandes erros na estimativa das vazões de pico. Neste caso, é muito comum a utilização do método SCS (Soil Conservation Service). O Departamento de Conservação do Solo norte-americano, SCS (Soil Conservation Service), realizou inúmeros experimentos em bacias de pequeno porte, com o objetivo de estabelecer relações entre a precipitação, o deflúvio superficial, grau de vegetação, tipo de ocupação do solo. Propôs um modelo bastante simples, expresso por uma equação que relaciona a altura precipitada (h p ), à altura de lâmina escoada (h q ), e um índice de armazenamento de água na bacia (S). Com determinação do volume escoado, o hidrograma resultante é especificado, considerando-o triangular, com tempo de pico e tempo de base definida a partir de características geométricas da bacia (RIGHETTO, 1998). A relação entre h p, h q e S e dada por:

28 15 h q = S 2 hp 0,2 S hp + 0,8 S equação (9) Válida quando a altura pluviométrica h p > 0,2. S. Para h p < 0,2. S, o modelo admite que não ocorre deflúvio superficial. Já o índice de armazenamento de água na bacia (S), é relacionado a um índice associado à vegetação existente, tipo e ocupação do solo, denominado CN (curve number) pelo SCS. Essa relação é expressa por: S = 254.(100 CN) CN equação (10) Quanto às condições antecedentes do solo, os valores de CN são definidos pela Tabela 5.2, correspondendo às condições normais de umidade do solo na bacia, cujo índice será denotado por Condição II, isto é, as chuvas dos últimos 5 dias totalizaram entre 15 e 40mm. Já a Condição I, equivale a situações onde o solo encontra-se seco, isto é, as chuvas dos últimos 5 dias não ultrapassaram 15mm. Por fim, a Condição III, representa que a umidade solo está próxima a capacidade de campo, isto é, as chuvas dos últimos 5 dias ultrapassaram 40mm, e as condições metereológicas foram desfavoráveis as altas taxas de evaporação (TUCCI, 2002). Para determinação de valores de CN, cujo solo se encontra na Condição I, ou Condição II, adota-se a seguinte relação: CondiçãoI CondiçãoII = =2,3 equação (11) CondiçãoII CondiçãoIII Na mesma Tabela 5.2, os valores de CN encontram-se separados pelo tipo de solo em questão, podendo assim, ser classificado em Solos do Grupo A, Grupo B, Grupo C e Grupo D, seguindo a classificação apontada na Tabela 5.3.

29 16 Tabela Valores de CN. Ocupação do Solo Solo cultivado: sem técnicas de conservação com técnicas de conservação Pastagem: condição precária condição adequada Áreas florestadas: pouca cobertura grande cobertura Parques e jardins: 75% de área gramada Tipos de Solo A B C D 50 a 75% de área gramada Áreas comerciais (85% de área impermeável) Áreas industriais (72% de área impermeável) Áreas residenciais: 65% de área impermeável 3% de área impermeável 25% de área impermeável Áreas impermeáveis Pavimento com pedrisco Pavimento com drenagem Fonte: RIGHETTO, Tabela Tipos de Solo. Grupo Características A Solos arenosos com baixo teor de argila total, inferior a uns 8%, não há rocha nem camadas argilosas e nem mesmo densificadas até a profundidade de 1,5m. O teor de húmus é muito baixo, não atingindo 1%. B Solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de argila total, porém ainda inferior a 15%. Nos casos de terras roxas este limite pode subir a 20% graças à maior porosidade. Os dois teores de húmus podem subir, respectivamente, a1,2% e 1,5%. Não pode haver pedras nem camadas argilosas até 1,50m, mas é quase sempre presente camada mais densificada que a camada superficial. C Solos barrentos com teor total de argila de 20 a 30%, mas sem camadas argilosas impermeáveis ou contendo pedras até a profundidade de 1,20m. No caso de terras roxas, estes dois limites máximos podem ser de 40% e 1,50m. Nota-se, a cerca de 60 cm de profundidade, camada mais densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condições de impermeabilidade. D Solos argilosos (30 40% de argila total) e ainda com camada densificada a uns 50cm de profundidade. Ou solo arenosos como B, mas com camada argilosa quase impermeável ou horizonte de seixos rolados. Fonte: TUCCI, 2000 O Hidrograma Unitário é o hidrograma produzido por uma unidade de chuva excedente (h exc ) distribuída uniformemente sobre a bacia com uma duração especificada (TUCCI, 2000). Pode ser determinado pela análise de dados de precipitação e vazão, ou por meio de fórmulas empíricas, quando são chamados de hidrogramas sintéticos.

30 17 O hidrograma considerado no método SCS, é um hidrograma adimensional, resultante da análise de um grande número de bacia nos Estados Unidos (SILVEIRA, 2002). Os principais parâmetros desse hidrograma são obtidos de um hidrograma triangular, tomando-se como tempo de base, t b, o valor calculado pela expressão: t b =2,67.t p equação (12) Onde t p é o tempo de pico. Como o método é empregado para a avaliação de cheias decorrentes de chuvas intensas de curta duração, pode-se estimar o tempo de pico, pela soma do tempo de retardo, t p, e o tempo correspondente ao centro de massa do hietograma considerando uniforme, D/2. Considera-se que o tempo de retardo equivalente é aproximadamente 60% do tempo de concentração da bacia (RIGHETTO, 1998). Assim: t b = 2,67.(D/2+0,6t c ) equação (13) Onde D é a duração da chuva e t c, é o tempo de concentração. O volume escoado é expresso por h p. A, podendo-se exprimir a vazão de pico por: 2.h q.a Q p = t b equação (14) Alterações no ciclo hidrológico devido à urbanização O comportamento do escoamento superficial direto sofre alterações em decorrência do processo de urbanização de uma bacia, principalmente como conseqüência da impermeabilização da superfície, o que produz maiores picos e vazões (TUCCI, 2002).

31 18 Na primeira fase de implantação de uma cidade, o desmatamento pode causar um aumento dos picos e volumes e da erosão do solo. Se o desenvolvimento urbano posterior ocorrer de forma desordenada, estes resultados podem ser agravados com o assoreamento em canais e galerias, diminuindo suas capacidades de condução do excesso de água, degradando a qualidade da água e possibilitando a veiculação de moléstias. Quanto aos problemas climáticos são, basicamente, decorrentes do aumento da densidade das construções, embora se constituam em impactos de pequena escala que se processam de forma lenta, podem, em longo prazo, alterar significativamente o balanço hídrico. Assim precipitações totais podem aumentar em até 10% em relação à zona rural, e a umidade relativa do ar pode sofrer um acréscimo de até 8%, podendo chegar a haver um aumento de 1 C na temperatura do ar, enquanto o aumento da nebulosidade pode atingir até 100% (NETO, 2000). 5.2 Inundações Urbanas A inundação urbana é uma ocorrência tão antiga quanto às cidades ou qualquer aglomerado urbano, sendo decorrente das águas dos rios, riachos, galerias pluviais, que saem do leito de escoamento devido a falta de capacidade de transporte de um destes sistemas e ocupa áreas de utilização da população (TUCCI et al., 1998). Estes eventos podem ocorrer devido ao comportamento natural dos rios ou ampliados pelo efeito de alteração produzido pelo homem na urbanização pela impermeabilização das superfícies e a canalização. As inundações urbanas podem ser classificadas em inundações ribeirinhas e Inundações devido à urbanização.

32 Inundações ribeirinhas As inundações ribeirinhas são ocasionadas pelo extravasamento da calha de um rio em áreas rurais ou urbanas, isto é, os rios geralmente possuem dois leitos, o leito menor onde a água escoa na maioria do tempo e o leito maior, que é inundado com risco geralmente entre 1,5 e 2 anos, o que corresponde a uma cheia média anual. O impacto devido à inundação ocorre quando a população ocupa o leito maior do rio, ficando sujeita a inundação (TUCCI, 2002), como é apontado na Figura 5.3. A ocupação do leito maior do rio é proibida por lei, onde, teoricamente, onde não há processo indenizatório aos ocupantes. Figura Inundações Ribeirinhas (TUCCI, 2002) Com respeito às inundações ribeirinhas, baseado em TUCCI (2002), podemos apontar o seguinte: - na quase totalidade das cidades brasileiras, mesmo as com Plano Diretor, não existe nenhuma restrição quanto ao loteamento de áreas de risco de inundação, e uma seqüência de anos sem enchentes é razão suficiente para que empresários loteiem áreas inadequadas; - população de baixa renda invade com facilidade áreas ribeirinhas que pertencem ao poder público;

33 20 - áreas de médio risco, que são atingidas com freqüência menor, sofrem prejuízos significativos quando as enchentes as atingem. Desta forma, os principais impactos sobre a população são (TUCCI, 2002): - prejuízos de perdas materiais e humanas; - interrupção da atividade econômica das áreas inundadas; - contaminação por doenças de veiculação hídrica como leptospirose, cólera, entre outras; - contaminação da água pela inundação de depósitos de material tóxico, de estações de tratamentos entre outros Inundações devido à urbanização A urbanização consome espaço natural. Ao fazer isso impermeabiliza significativamente o solo, altera o fluxo e balanço hídrico das águas urbanas e perturba o funcionamento de zonas ribeirinhas. As enchentes intra-muros são geradas dentro da própria cidade. São enxurradas urbanas que causam alagamentos. São definidas como enchentes ou inundações devido à urbanização (TUCCI et al., 1998). Assim, podemos considerar a seguinte definição (TUCCI, 2002): - Inundações devido à urbanização: as enchentes aumentam a sua freqüência e magnitude devido à impermeabilização ocupação do solo e a construção da rede de condutos pluviais. O desenvolvimento urbano pode também produzir obstruções ao escoamento, como aterros e pontes, drenagens inadequadas e obstruções ao escoamento junto a condutos e assoreamento. Em síntese, a urbanização desequilibra o fluxo natural das águas, seja ela mesma alterando os volumes dos diversos processos hidrológicos, seja interpondo-se ao caminho natural delas.

34 21 As inundações devido à urbanização, por outro lado, acarretam nos seguintes impactos principais (TUCCI, 2002): - aumento das vazões máximas (pico) e da sua freqüência; - aumento da produção de sedimentos devido a desproteção das superfícies e à produção de resíduos sólidos (lixo); - deterioração da qualidade da água superficial e subterrânea, devido a lavagem das ruas, transporte de material sólido e às ligações clandestinas de esgoto cloacal e pluvial, ocasionando contaminação de aqüíferos; - redução do tempo de concentração da bacia, em função da rede de condutos pluviais. O hidrograma típico de uma bacia natural e aquele resultante da urbanização são representados na Figura 5.4. Figura Hidrograma da área urbanizada x área não urbanizada (TUCCI, 2002). 5.3 Técnicas de Drenagem Urbana Histórico da drenagem urbana no Brasil A drenagem pluvial foi assim tratada como uma prática acessória até meados do século XIX, quando as capitais européias já formavam grandes centros urbanos. As mudanças ocorridas no tratamento da drenagem pluvial na segunda metade do

35 22 século XIX tiveram sua origem no século XVIII, quando constatou-se na Itália que as águas de banhados e zonas alagadiças influenciavam na mortalidade pessoas e animais. Isto foi rapidamente levado em consideração na Inglaterra e na Alemanha e mais tarde na França, e desencadeia-se um processo de extinção de banhados como medida de saúde pública. Também deu-se ordens para aterrar ou cobrir as fossas receptoras de esgoto cloacal, e substituí-las por canalizações enterradas. Assim as redes de esgotos deveriam evacuar as águas contaminadas, o mais rapidamente possível, e para mais longe dos locais de sua produção. Nascia a idéia de livrar-se da água nas cidades, seja ela de origem pluvial ou esgoto. Ou seja, nascia o conceito sanitarista-higienista (SILVEIRA, 2002). Então, a drenagem pluvial como ação pública não evoluiu em decorrência da modernização de práticas de engenharia em busca do conforto, mas sim de uma recomendação de profilaxia médica. Evidentemente coube aos engenheiros e urbanistas a tarefa de materializá-la em obras e integrá-las ao espaço urbano, mas infelizmente isto só teve um impulso maior com a ocorrência de epidemias de cólera em grandes cidades do mundo no século XIX, destacando-se na Europa as dos anos 1832 e O fluxo de pessoas nas viagens marítimas de então, praticamente globalizaram a epidemia de cólera e muitas cidades brasileiras sofreram com ela em Entre 1850 e o fim do século XIX muitas cidades importantes do mundo, principalmente as capitais européias, foram dotadas de grandes redes subterrâneas unitárias de esgotos (esgotos pluviais e cloacais conduzidos pelos mesmos condutos). Sob o comando de seu famoso prefeito Haussmann, Paris torna-se emblemática e referência mundial por construir uma imponente rede de esgotos, ajudando a cristalizar o conceito higienista que passa a ser resumido pela expressão tout à l égout no meio técnico francês da época. O conceito higienista chegou ao Brasil em 1864 no Rio de Janeiro. Nesta época, havia no mundo um casamento bem sucedido entre a filosofia higienista e o domínio da hidráulica de condutos e canais que permitia promover o saneamento junto com as reformas urbanísticas. No fim do século XIX, o Brasil vê surgir a grande figura do engenheiro Saturnino de Brito ( ), formado pela Escola Politécnica do Rio

36 23 de Janeiro. Adepto do positivismo, ele revoluciona o conceito higienista no Brasil ao trabalhar no saneamento da cidade de Santos. Em seu livro, Saneamento de Santos de 1898, apresenta argumentos sólidos em favor do sistema separador absoluto (redes de condutos separados para esgotos pluviais e esgotos sanitários) contra o sistema dominante da época que era o unitário. Em decorrência da atuação de Saturnino de Brito, já no início do século XX, o conceito higienista, usando uma rede de drenagem pluvial separada dos esgotos domésticos, ficou estabelecido como regra para as cidades brasileiras. Em 2000, cerca de 82% dos municípios brasileiros com redes subterrâneas tinham sistemas separadores. A intensidade das chuvas tropicais não favorece os sistemas unitários. Entretanto, muitas cidades ou muitos bairros de cidades acabaram adotando um arremedo de sistema unitário, destinando efluentes de fossas sépticas para a rede pluvial. O conceito higienista predominou neste século no mundo inteiro, mas o fim da sua história foi decretado em 1960, nos países desenvolvidos, quando a consciência ecológica expôs suas limitações para levar em conta os conflitos ambientais entre as cidades e o ciclo hidrológico. Havia necessidade de reflexões mais profundas sobre a urbanização e sobre o meio-ambiente, particularmente, sobre a quantidade e a qualidade dos recursos hídricos. Nascia o conceito ambiental aplicado à drenagem urbana que fez com que os ícones das soluções higienistas deixassem de reinar sozinhos, ou seja, o rol de obras tradicionais como condutos, sarjetas, bocas-delobo, arroios retificados, entre outras, teria de ser ampliado para admitir soluções alternativas e complementares à evacuação rápida dos excessos pluviais, dentro de um contexto de preservação ambiental. Obras de retenção e amortecimento de escoamentos, como pavimentos permeáveis, superfícies e valas de infiltração, reservatórios e lagos de detenção e a preservação dos arroios naturais passaram a fazer parte do vocabulário da drenagem urbana. Além disso, o enfoque ambiental preconiza também o tratamento dos esgotos pluviais que podem ser tão poluidores quanto aos esgotos sanitários (SILVEIRA, 2002). A maioria das obras de drenagem urbana no Brasil segue o conceito higienista. A razão principal é que o conceito ambiental é muito mais difícil e caro de aplicar

37 24 porque exige ações integradas sobre grandes áreas, com conhecimento técnico multidisciplinar, ao contrário das ações higienistas, voltado a soluções locais, e concebidas unicamente por engenheiros civis. Além disso, o conceito higienista, exerce ainda um atrativo muito grande pela sua simplicidade (toda água circulante deve ir rapidamente para o esgoto, evitando insalubridades e desconfortos, nas casas e nas ruas) e pelo fato das obras de infraestrutura por ele exigidas terem um comportamento dinamicamente restrito, fáceis de dimensionar, pois só têm a função de transporte rápido. O livrar-se rapidamente da água tornou-se praticamente um dogma no meio técnico, convencendo inclusive à população que aplica a mesma idéia nas suas propriedades particulares urbanas (SILVEIRA, 2002). Adicionalmente, as pressões sócio-econômicas exercidas pela sociedade brasileira como um todo, agravam o quadro, estabelecendo um cenário difícil para a implantação de qualquer conceito de drenagem urbana, sobretudo a ambiental, devido à urbanização acelerada e desordenada, criação de um mosaico de ocupações (favelas desassistidas vizinhas a bairros equipados) e nível de educação ambiental deficiente (córregos e bocas-de-lobo vistos por grande parte da população como locais de destino de dejetos e lixo). A história da drenagem urbana no Brasil apesar dessas dificuldades parece estar hoje numa transição entre a abordagem higienista e a ambiental. Muitas capitais, como São Paulo, Rio de Janeiro, Belo Horizonte, Porto Alegre e Curitiba estão promovendo ações no sentido de estabelecer planos diretores de drenagem urbana, seguindo os preceitos do conceito ambiental que passa pela conscientização de que a drenagem urbana deve se integrar ao planejamento ambiental das cidades, deixando de ser apenas um problema de engenharia (SILVEIRA, 2002) Macrodrenagem As estruturas de macrodrenagem destinam-se a condução final das águas captadas pela drenagem primária, dando prosseguimento ao escoamento dos deflúvios oriundos dos elementos de microdrenagem.

38 25 Segundo TUCCI et al. (1995), a macrodrenagem de uma zona urbana corresponde à rede de drenagem natural pré-existente nos terrenos antes da ocupação, sendo constituída pelos córregos, riachos e rios localizados nos talvegues e vales. O aumento das vazões afluentes aos receptores originais, causados pelas medidas de microdrenagem implantadas, reduz o tempo de concentração da água na bacia, gerando uma degradação da drenagem natural. Com isso, surge a necessidade de intervenção nos sistemas de macrodrenagem. O rol clássico de obras de macrodrenagem constitui-se de retificação e ampliação das seções de canais naturais, construção de canais artificiais, grandes galeria, além de estruturas auxiliares para controle, dissipação da energia, amortecimento de picos, proteção contra erosões e assoreamentos e travessias (TUCCI et al., 1995) Microdrenagem Microdrenagem é definida como o sistema de condutos livres para coleta e condução de águas pluviais. Os elementos principais da micro-drenagem são os meio-fios, as sarjetas, as bocas de lobo, os poços de visita, as galerias, os condutos forçados, as estações de bombeamento e os sarjetões (TUCCI et al., 1995). Conforme TUCCI et al.(1995), segue abaixo uma breve definição dos elementos listados: - meio-fio: são constituídos de blocos de concreto ou de pedra, situados entre a via pública e o passeio, com sua face superior nivelada com o passeio, formando uma faixa paralela ao eixo da via pública; - sarjetas: são as faixas formadas pelo limite da via pública com os meio-fios, formando uma calha que coleta as águas pluviais oriundas da rua; - bocas-de-lobo: são dispositivos de captação das águas das sarjetas; - poços de visita: são dispositivos colocados em pontos convenientes do sistema, para permitir sua manutenção;

39 26 - galerias: são as canalizações públicas destinadas a escoar as águas pluviais oriundas das ligações privadas e das bocas-de-lobo.; - sarjetões: são formados pela própria pavimentação nos cruzamentos das vias públicas, formando calhas que servem para orientar o fluxo das águas que escoam pelas sarjetas Controle na fonte O controle na fonte da drenagem pluvial urbana visa promover a redução e a retenção do escoamento pluvial de forma a desonerar os sistemas tradicionais de esgotamento pluvial ou mesmo evitar ampliações destes sistemas, que são, muitas vezes, inviáveis e de vida útil curta face ao desenvolvimento urbano. Enquanto os sistemas tradicionais visam a evacuação rápida das águas pluviais para jusante, os dispositivos de controle na fonte procuram reduzir e retardar escoamentos urbanos (TUCCI et al., 1995). Os dispositivos tradicionais como tubulações enterradas, podem ser substituídos por outros de controle na fonte, mas não em todos os casos, pois um moderno projeto de drenagem urbana deve integrar harmoniosamente estruturas de transporte e de infiltração e retenção. Os dispositivos de controle na fonte têm um objetivo mais amplo do que o controle quantitativo do escoamento pluvial, incorporando-se também o controle da poluição e dos sedimentos e lixo. Os dispositivos de controle na fonte são basicamente de dois tipos, os dispositivos de armazenamento e os dispositivos de infiltração. Os dispositivos de armazenamento normalmente têm por objetivo primordial o retardo do escoamento pluvial para sua liberação defasada, e com pico amortecido, ao seu destino, que pode até ser um ponto de captação de uma rede pluvial existente. Reservatórios residenciais em lotes, bacias de retenção e detenção nos loteamentos ou na macrodrenagem são exemplos típicos destes dispositivos de armazenamento.

40 27 Os dispositivos de infiltração, diferentemente dos de armazenamento, retiram água do sistema pluvial, promovendo sua absorção pelo solo para redução do escoamento pluvial. Pavimentos porosos, trincheiras de infiltração, faixas e valas gramadas são alguns exemplos típicos de tais dispositivos, mais adequados às escalas do lote e do loteamento. Há muitos dispositivos mistos que promovem a infiltração e ao mesmo tempo retardam o escoamento excedente. Depende da concepção da obra ou dispositivo, segundo a criatividade do projetista (SILVEIRA, 2002). A experiência internacional referente às medidas de controle na fonte aponta para um elenco básico de obras ou estruturas que serão listadas abaixo. A vantagem primordial destas obras é a razão da sua própria concepção, isto é, são obras que reduzem ou retardam o deflúvio superficial direto, regulando e limitando as vazões geradas para jusante, para alívio de redes pluviais existentes, muitas vezes saturadas, e dos meios receptores naturais, freqüentemente alterados física e qualitativamente pela função de esgotamento pluvial urbano Cobertura vegetal São faixas de solo gramadas ou arborizadas concebidas para desacelerar e infiltrar parcialmente escoamentos laminares provenientes das superfícies impermeáveis urbanas (estacionamentos e outras superfícies), mas pode ter sua aplicação associada em outras situações. Na macrodrenagem assumem o papel de zona de escape para enchentes. As faixas menores, como as indicadas para estacionamentos, devem situar-se a montante do sistema de drenagem. Do ponto de vista do controle pluvial é um componente que diminui significativamente a velocidade do escoamento superficial, mas não reduz seu pico, sendo o seu principal benefício a remoção de partículas poluentes como sedimentos finos, matéria orgânica e traços de metais. Na pequena escala, as faixas gramadas são medidas de controle na fonte de aplicação em lotes e loteamentos, no entorno de superfícies impermeabilizadas ou associadas a outras medidas de controle na fonte como, por exemplo, um pavimento poroso.

41 28 O caráter linear das faixas gramadas (dimensiona-se a largura, mas o comprimento é livre) permite uma grande flexibilidade de arranjos espaciais. Para garantir o escoamento laminar é recomendável associar um difusor que pode ser uma pequena valeta ou uma pequena soleira. Em uma escala maior as faixas gramadas ou arborizadas encaixam-se muito bem arquitetonicamente nas margens dos arroios de macrodrenagem. Neste caso, além de destinarem-se a amortecerem cheias freqüentes, podem assumir o papel adicional de parque linear, para lazer e prática esportiva da população e prevenção contra invasões (SILVEIRA, 2002) Pavimentos porosos Os pavimentos porosos são dispositivos que infiltram a água caída sobre eles para um reservatório na camada de base, geralmente de cascalho poroso. O revestimento da superfície é, freqüentemente, poroso, mas há variantes com revestimento impermeável com entradas pontuais para a camada de base porosa. São pavimentos que agem no controle do pico e volume do escoamento superficial, no controle da poluição difusa, e, quando infiltram a água no solo, promovem a recarga de águas subterrâneas. Os pavimentos porosos podem dividir-se em quatro tipos: - pavimento poroso de infiltração e revestimento permeável; - pavimento poroso de infiltração e revestimento impermeável; - pavimento poroso de retenção e revestimento permeável; - pavimento poroso de retenção e revestimento impermeável Estes quatro tipos encerram duas qualidades de absorção (injeção) e duas de esvaziamento (evacuação) da camada porosa. Nos pavimentos de infiltração a evacuação é vertical e difusa para dentro do solo enquanto que nos pavimentos de retenção ela é horizontal e direcionada para um exutório (rede pluvial existente, por exemplo). Quanto à absorção, tanto os pavimentos porosos de infiltração quanto de retenção podem ter ou uma injeção difusa, através de um revestimento permeável,