EFEITO DO CONTROLE NA FONTE SOBRE A MACRODRENAGEM: RESULTADOS PRELIMINARES. Rutinéia Tassi 1 e Adolfo O. N. Villanueva1 1

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1 EFEITO DO CONTROLE NA FONTE SOBRE A MACRODRENAGEM: RESULTADOS PRELIMINARES Rutinéia Tassi 1 e Adolfo O. N. Villanueva1 1 Resumo As novas alternativas propostas para resolver os problemas de drenagem urbana buscam, de uma forma eficiente, tratá-los o mais próximo possível da fonte. Uma das soluções sugerida é a implementação de microrreservatórios de detenção nos lotes. No entanto, qual o impacto sobre a macrodrenagem que a distribuição desses dispositivos de controle gera, é uma questão pouco estudada. São recomendados estudos tratando de forma global a eficiência desse sistema, visto que em certos casos pode ocorrer o resultado inverso ao pretendido, ou seja a ampliação do pico das vazões. Este artigo apresenta os resultados preliminares de um trabalho de dissertação, que procura avaliar os efeitos desse tipo de combinação através de simulações numéricas. Abstract Alternatives presently proposed to solve the problems of urban drainage are aimed to control excess runoff as close as possible from its source, which appears a more efficient approach. One of the solutions suggested is the use of on-site detention. However, which is the impact of this kind of control devices on the macro-drainage, is a little studied subject. Studies using an integrated approach to the system are needed, to assess the actual efficiency of on-site detention on macroscale runoff control. This article presents the preliminary results of a dissertation work, which tries to evaluate the impact of on-site detention on the macro-drainage network, using numeric simulations. Palavras-Chave - microrreservatórios, controle na fonte, macrodrenagem INTRODUÇÃO No final dos anos 40 e 50, cerca de 30% da população mundial morava em áreas urbanas e 70%, na zona rural. Hoje em dia a situação tem se invertido, e as indicações são de que 30% da população esteja morando nas áreas rurais, e os outros 70% em regiões urbanas. Estima-se que hoje, 1 Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS, Caixa Postal 15029, CEP , Porto Alegre

2 mais de 80% da população da América Latina se concentra nas cidades e espera-se que para o ano 2020 dois terços dos habitantes deste continente vivam em cidades com mais de pessoas (Pilar e Depettris, 2000). Em alguns, países a situação já tem alcançado níveis mais críticos que aqueles antes mencionados, como no Brasil, por exemplo, onde 75% dos 150 milhões de habitantes moram em áreas urbanas (Braga, 1998). O planejamento da rede de drenagem integrado com o planejamento urbano é o primeiro passo para a adoção de soluções que realmente possam minimizar os problemas relativos às enchentes urbanas. Como na maioria das cidades brasileiras não há esse tipo de planejamento, o que ocorre muitas vezes é a adoção de medidas estruturais para contornar essa falha. Uma das alternativas adotadas tem se voltado para a adaptação das novas edificações às condições existentes, fundadas em alguns objetivos como: - promover o retardamento dos escoamentos, de forma a propiciar o aumento dos tempos de concentração e a conseqüente redução nas vazões máximas; - amortecer os picos de enchentes através da retenção em reservatórios; - conter os escoamentos na fonte, através da melhoria das condições de infiltração ou ainda em tanques de detenção; Atualmente o uso de reservatórios de detenção é uma das alternativas consideradas para o controle de cheias urbanas. Urbonas e Staher (1993), por exemplo, classificam os dispositivos de detenção de maneira abrangente e sistematizada. As obras e dispositivos de reservação foram classificadas em dois grupos principais, de acordo com a sua localização no sistema de drenagem, a saber: contenção na fonte e contenção a jusante. - Contenção na fonte: do forma generalizada, tais dispositivos são próximos aos locais onde os escoamentos são produzidos, permitindo desta forma melhor aproveitamento do sistema de condução de fluxo a jusante. - Contenção a jusante: as obras de contenção dos deflúvios a jusante se referem aos reservatórios que visam, controlar os deflúvios provenientes de partes significativas da bacia. Como classificação geral, tais reservatórios podem ser designados, de acordo com seu posicionamento e função nos sistemas de drenagem como sendo on-line, ou seja, na linha principal do sistema ou a ele conectado em série, ou off-line, quando implantados em paralelo, para desvio do escoamento. A figura 1 apresenta um esquema das alternativas possíveis, destacando o tipo de medida objeto deste estudo.

3 Figura 1 Medidas de controle O controle a nível de lote pode ser efetuado através do poder público, pois uma vez aprovado o loteamento, a aplicação de plano de infiltração e de reservatórios de detenção no interior dos lotes é facilitada, atuando eficientemente no controle da densificação (Cruz, 1998). Conforme Edward (1982), apud Canholi (1995), pode ser desaconselhável a pulverização de reservatórios de detenção em virtude das dificuldades e custos de inspeção, operação e manutenção, e das próprias incertezas quanto à real eficiência hidráulica destes sistemas, viste que, em certos casos pode ocorrer o resultado inverso ao pretendido. É recomendado portanto, uma análise global do problema, em fase anterior ao projeto de tais sistemas. METODOLOGIA O estudo avalia o impacto da implantação do reservatório desde a escala do lote até a rede de macrodenagem em uma bacia, usando modelos numéricos. Como o objetivo do trabalho não é o estudo de um caso isolado, e sim avaliar qualitativamente o impacto dos microrreservatórios, optouse por uma bacia tipo para o estudo. Para tentar manter-se o mais próximo possível da configuração de uma bacia urbana, escolheu-se uma sub-bacia da bacia do Arroio Areia da cidade de Porto Alegre, da qual foram consideradas características físicas, tais como forma, distribuição da rede de macrodreangem, declividade do terreno e características do solo. Essa mesma bacia fornecerá as características para a continuidade do estudo, possibilitando avaliar o efeito de escala. A área da sub-bacia estudada corresponde a aproximadamente 8% da área total da bacia do Arroio Areia, que será, posteriormente, completamente simulada. A sub-bacia pode ser identificada como a área em contorno vermelho na figura 2, ocupando a região de cabeceira, e possui uma área de aproximadamente 0,96 km 2, com declividades médias de 6%.

4 Figura 2 Sub-bacia estudada Em função das características dos bairros da região foi definido o lote padrão a ser simulado. A área adotada para cada lote foi de 600 m 2, e a configuração é apresentada na figura 3, onde também é possível identificar as superfícies permeáveis e impermeáveis. A tabela 1 mostra os tipos de superfícies que compõem o lote. Os quarteirões foram compostos por 12 lotes, resultando uma dimensão de 99 x 78 m, incluindo 1,50 m de passeio público. A composição do quarteirão se deu com 12 lotes. A largura das ruas foi considerada como sendo de 7m. Foram considerados passeio público e ruas completamente impermeáveis. A porcentagem de área impermeável na bacia resultou em 56,5%. Foram dispostos na bacia os blocos compostos pelos quarteirões tipo, resultando em um número final de 1020 lotes na bacia. A distribuição dos quarteirões gera uma porção de pequenos coletores que aportam na rede de drenagem principal. A figura 4 apresenta um esquema da composição da rede de microdrenagem.

5 Tabela 1- Composição do lote Área (m 2 ) % de área no lote Área permeável Área impermeável Tabela 2- CN utilizados Superfície CN Telhado 98 Grama 74 Calçadas 98 Figura 3 Lote simulado Com a determinação as áreas impermeáveis, e considerando o tipo de solo local, foi possível a adoção de um CN (Curve Number) adequado, para posterior utilização no algoritmo de infiltração do SCS (Soil Conservation Service). Os CN utilizados encontram-se na tabela 2. De forma geral, foram montados dois diferentes tipos de simulação: A primeira simulação a nível de lote, em duas etapas: - lote na condição natural com superfície gramada, para definir a vazão de pré-ocupação; - lote após a ocupação, para dimensionamento do reservatório; A segunda simulação a nível de sub-bacia, também em duas etapas: - bacia com lotes urbanizados utilizando o microrreservatório; - bacia com lotes urbanizados sem microrreservatórios;

6 Figura 4 Esquema da composição da rede Modelos de Propagação A avaliação do efeito dos microrreservatórios de detenção sobre o escoamento foi realizado em duas etapas. Uma primeira simulação foi realizada nos lotes, ruas e rede coletora de microdrenagem, com o Modelo Schaake (Schaake, 1971). Na segunda etapa, o Modelo Hidrodinâmico foi utilizado para propagar na macrodrenagem os hidrogramas gerados na saída das redes de microdrenagem e a água que escoou pelas ruas. O Modelo desenvolvido por Schaake (1971) propaga o escoamento superficial e o escoamento em canais e galerias do espaço urbano. O modelo é baseado na teoria da onda cinemática, e pode ser aplicada a bacias de drenagem urbana decompondo-a em segmentos. Esse modelo foi escolhido por possuir algumas características como (Villanueva, 1984): - permitir mostrar a representação de uma bacia em detalhe; - a maioria dos parâmetros utilizados dependem das características físicas e portanto, podem ser estimados a partir das características do lote e dos condutos; - o programa computacional é aberto, o que permite introduzir-se modificações segundo vão se tornando necessárias durante seu uso; Uma das principais limitações deste modelo, é o fato de utilizar um esquema numérico explícito, podendo gerar uma série de instabilidades, e também, o fato de não poder representar os efeitos de remanso na rede.

7 Para atender aos objetivos do trabalho, o modelo Schaake foi modificado para simular a propagação nos reservatórios através do algoritmo de Puls. Outra modificação acrescentada ao modelo foi a introdução de uma rotina que simula a existência de sarjetas nas ruas, e faz a propagação da água excedente que não consegue escoar pela rede de microdrenagem. O Modelo Hidrodinâmico utilizado, foi inicialmente desenvolvido por Villanueva (1990), e ampliado por Ramseyer (1996) e Neves (2000). O modelo é do tipo rede de condutos, que utiliza equações e sistemas não-lineares, e trata o escoamento sob pressão através da fenda de Preissmannm, utilizando um esquema numérico implícito. O modelo hidrodinâmico foi utilizado por fornecer uma simulação mais realista, com algoritmos mais sofisticados para levar em conta os principais processos que ocorrem no escoamento, tais como fluxo supercrítico, subcrítico e sob pressão, efeitos de jusante, comunicação superfície-galerias, entre outros. Dimensionamento dos Microrreservatórios Existem diversas recomendações, de diferentes autores no que diz respeito ao dimensionamento de reservatórios. No entanto, a prática mais comum é dimensioná-lo para que mantenha as condições de pré-urbanização da bacia, sendo este o critério utilizado neste trabalho. Portanto, a simulação inicial foi realizada para o lote no seu estado natural, ou seja, em situação anterior à urbanização. O hidrograma resultante deste simulação corresponde a vazão de pré-urbanização. Uma nova simulação foi realizada, representando o estágio de impermeabilização dos lotes devido à urbanização. O reservatório simulado é do tipo simples, composto por uma única câmara, com descarregador de fundo e um dispositivo de saída na parte superior, que funciona como vertedor. O dimensionamento do mesmo foi realizado através de tentativas, buscando otimizar o volume e diâmetro de descarregador de fundo, até atingir a vazão limite admissível para a saída do lote, sem que ocorresse extravasamento do microrreservatório. O período de retorno escolhido para o dimensionamento e simulação foi de 10 anos, visto que as obras de macrodrenagem são normalmente dimensionadas para este risco. A chuva foi obtida a partir de uma IDF da região próxima à sub-bacia. Os microrreservatórios foram dimensionados para uma chuva com 1 hora de duração. Não foi utilizada uma duração igual ao tempo de concentração do lote, por resultar em um valor muito pequeno, menor que 5 minutos, e não resultar em um reservatório eficiente para chuvas mais prolongadas.

8 O volume final para uma precipitação com 1 hora de duração foi de 9,60 m 3. As dimensões escolhidas para o reservatório foram 4x4x0,60 m; o diâmetro do descarregador de fundo resultou em 10 mm. Uma das restrições impostas ao dimensionamento foi a altura do reservatório, para tentar representar o que realmente ocorre na prática, ou seja, a falta de cotas e a dificuldade de conexão com a rede de drenagem. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES Os hidrogramas obtidos para a saída do lote com microrreservatório, para as duas durações de chuva testadas encontram-se na figura Lote ocupado - P(1 hora) Lote ocupado - P(2horas) Lote natural - P(1hora) 1.2 Vazão (l/s) Tempo (min) Figura 5 Hidrograma de saída do lote Na figura 5, é possível perceber a eficiência do reservatório na manutenção da vazão de préurbanização. No entanto, devido à pequena dimensão encontrada para o descarregador de fundo, a água permanece armazenada no mesmo por um longo período de tempo, demorando aproximadamente 10 horas para recuperar metade de sua altura útil. Na mesma figura pode-se perceber quando ocorre o transbordamento do reservatório, aproximadamente aos 90 minutos, e que a vazão de pré-urbanização de saída do lote é superada em aproximadamente 4 vezes para uma chuva com 2 horas de duração.

9 Os hidrogramas da saída da microdrenagem foram propagados com o modelo hidrodinâmico na escala de macrodrenagem, e o resultado é apresentado na figura saidasemres - P(1 hora) saídasemres - P(2 horas) 7 saídacomres - P(1 hora) 6 saídacomres - P(2 horas) Vazão (m3/s) Tempo (min) Figura 6 hidrograma de saída da bacia A rede de macrodrenagem que havia sido dimensionada para atender à bacia com microrreservatórios necessitou ser totalmente ampliada quando os dispositivos foram removidos. A simulação na escala de macrodreanagem mostra a eficiência no controle das vazões máximas, reduzindo em 3 vezes a vazão de pico escoada. Para uma chuva com 2 horas de duração a eficiência é da mesma ordem de grandeza, mesmo havendo ocorrido o transbordamento dos microrreservatórios. CONCLUSÕES O microrreservatórios desempenharam adequadamente sua função no controle da vazão de saída do lote. Uma observação pode ser feita com relação ao dispositivo de descarga da fundo dos microrreservatórios, pois o diâmetro do mesmo resultou em tamanho muito pequeno (10 mm). Em um reservatório real, esse orifício pode facilmente ficar obstruído por folhas ou, pelo acúmulo de sedimentos, podendo ser inviável sua utilização se não forem realizadas limpezas constantes. Outro ponto a ser salientado com relação ao dimensionamento do microrreservatórios é o tamanho resultante, podendo muitas vezes inviabilizar sua implantação dentro de um lote, ou implicar em

10 altos custos. Para um reservatório com essas características, o tempo de esvaziamento é muito longo, podendo não recuperar sua capacidade de amortecimento quando há ocorrência de eventos consecutivos. Dadas as dificuldades mencionadas no parágrafo acima, o uso de reservatórios off line será contemplado no decorrer do estudo, procurando otimizar o volume e o descarregador de fundo. O impacto da implantação dos microrreservatórios na escala de macrodrenagem foi da mesma forma satisfatório. As vazões de pico escoada foram 3 vezes menores que aquelas obtidas para uma bacia sem controle. Mesmo para uma chuva com o dobro de duração para o qual foi projetado, o efeito do controle feito pelo reservatório é bem marcante. A redução dos picos de vazão máxima na macrodrenagem resultam em uma rede mais econômica e eficiente, sob o ponto de vista global, dado que não transfere os acréscimos de vazão para jusante. Cabe ressaltar que os resultados não refletem o fenômeno ocorrido em uma bacia real, mas sim em uma bacia hipotética utilizada para simplificar a avaliação. CONSIDERAÇÕES Durante o andamento deste estudo, outros objetivos tentarão ser atendidos, como: - estudar as combinações de riscos para dimensionamento dos microrreservatórios e da rede coletora de drenagem pluvial, ou seja, analisar a eficiência da utilização da detenção na fonte quando dimensionada para um determinado risco, e compará-la com o dimensionamento realizado para a rede coletora; - analisar a eficiência das detenções para diferentes cenários de ocupação, e conseqüentes níveis de impermeabilização na bacia, retratando a expectativa de mudanças nas características das - áreas em estudo; - analisar os efeitos da implantação dos microrreservatórios para outras escalas de trabalho; AGRADECIMENTOS Meu agradecimento especial a meu orientador Adolfo Villanueva, pela sua paciência, compreensão e disponibilidade. Ao professor Tucci, por ter me proporcionado um ambiente de trabalho enriquecedor. Aos colegas de sala, Marllus, Daniel e Simone, e a todos os amigos do IPH. REFERÊNCIAS

11 REFERÊNCIAS BRAGA, B., Urban Water Resources Management in Tropical Climates. In: Hydrology in the Humid Tropic Enviroment, Kingston, p. CANHOLI, A. P., Soluções Estruturais Não-Convencionais em Drenagem Urbana. São Paulo: USP - Escola Politécnica. Tese (Doutorado). CRUZ, M. A. S., TUCCI, C. E. M., SILVEIRA, A. L. L Controle do Escoamento em Lotes Urbanos com Detenção. In: Avaliação e Controle da Drenagem Urbana. Porto Alegre: Ed. da Universidade: ARBH, p. GENZ, F., Parâmetros para Previsão e Controle de Cheias Urbanas. Porto Alegre: UFRGS Programa de Pós Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. 163f. Dissertação (Mestrado). NEVES, M. G. F. P. das, Modelo Hidrodinâmico de Redes de Dreangem de Águas Pluviais: Aplicabilidade. Porto Alegre: UFRGS Programa de Pós Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Dissertação (Mestrado). PILAR, A. E., DEPETTRIS, C. A., Prefácio. Hidrologia Urbana na Bacia do Prata., 3-4p. SCHAAKE, J. C., Modeling Urban Runoff as a Deterministic Process. In: Treatise Urban Water Systems, Colorado State University, p. URBONAS, B., STAHRE, P., Stormwater Best Management Practices and Detention. Englewood Cliffs, New Jersey, 440p. VILLANUEVA, A., Hidrologia Urbana Modelos de Simulacion.

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