CAPACIDADE DE RETENÇÃO DE ÁGUA EM UM TELHADO VERDE: ESTUDO DE CASO EM CARUARU

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1 CAPACIDADE DE RETENÇÃO DE ÁGUA EM UM TELHADO VERDE: ESTUDO DE CASO EM CARUARU Thomas Fernandes da Silva 1 * & Anderson Luiz Ribeiro de Paiva 2 & Sylvana Melo dos Santos 3 Resumo - As novas alternativas propostas para resolver problemas de drenagem urbana buscam, de uma forma eficiente, trata-los o mais próximo possível da fonte. Uma alternativa, natural e sustentável sugerida é a implantação dos telhados verdes, que se caracteriza pela aplicação de vegetação sobre a cobertura de edificações com impermeabilização e drenagem adequadas. Este trabalho tem a finalidade de investigar a funcionalidade de um telhado verde instalado no IPA no município de Caruaru, com relação a sua capacidade de retenção da vazão da água pluvial escoada. Utilizou-se vegetação típica de regiões semiáridas, Babosa (Aloe Vera) e Coroa-de-Frade (Melocactus Zenteri), e comparou-se ao telhado convencional. Após o uso de simulador de chuva, analisou-se a capacidade de retenção do telhado através do balanço hídrico no sistema. Os telhados verdes apresentaram boa capacidade de retenção, chegando a valores de 77 e 98%, para Babosa e Coroa-de-Frade, respectivamente. Sendo a vegetação Coroa-de-Frade uma boa possibilidade de uso para este fim em regiões semiáridas. Palavras-Chave - telhado verde; drenagem urbana; eventos extremos. WATER RETENTION CAPACITY IN A GREEN ROOF: A CASE STUDY IN CARUARU Abstract - New alternative proposals aim to be close to source to resolve urban drainage problems more efficient. A natural and sustainable alternative suggested is green roofs, which is characterized by the application of vegetation on the roof of buildings with adequate waterproofing and drainage. This work aims to investigate the functionality of a green roof installed at IPA, in Caruaru city, analyzing its flow retention capacity. Babosa (Aloe Vera) and Coroa-de-Frade (Melocactus Zenteri) were used, because are typical vegetation of semiarid regions. Retention capacity for green roofs and conventional roof was analyzing by water balance in the system. Both green roofs had a good retention capacity, 77% to Babosa and 98% to Coroa-de-Frade. The green roof with Coroa-de-Frade has a good possibility to use in drainage system. Keywords - green roof, urban drainage, extreme events. 1 Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental - PPGECAM, Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, Centro Acadêmico do Agreste - CAA, Rodovia BR-104, Km 59, s/n, Sítio Juriti, Zona Rural, , Caruaru - PE, Brasil. thomasfernandes1@hotmail.com. * Autor Correspondente 2 Prof. Adjunto da Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, Centro de Tecnologia e Geociências - CTG, Av. Acadêmico Hélio Ramos, s/n, Cidade Universitária, Recife - PE, Brasil, Fone: (81) , alrpaiva.paiva@ufpe.br; alrpaiva@yahoo.com 3 Profa. Associada da Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, Centro Acadêmico do Agreste - CAA, Rodovia BR-104, Km 59, s/n, Sítio Juriti, Zona Rural, , Caruaru - PE, Brasil, sylvana.ufpe@gmail.com XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO A crescente urbanização de forma desordenada das cidades brasileiras tem provocado impactos significativos na qualidade de vida da população. Ao longo do processo de urbanização ocorre gradativamente a substituição da cobertura natural, por pavimentos impermeáveis e isso provoca alterações significativas em alguns componentes do ciclo hidrológico. Entre as alterações destacamse: a redução na taxa de infiltração e o aumento no escoamento superficial. Estes dois fenômenos ocorrem na grande maioria das vezes simultaneamente, resultando em problemas de alagamento e inundações por conta de um aumento e aceleramento do pico de vazão em bacias, que antes da urbanização, onde a vazão era bem distribuída no tempo. Uma alternativa para a redução do pico de vazão é a retenção na fonte, para a qual existem algumas tecnologias, dentre elas o telhado verde. Telhado verde é uma vegetação sobre edificações com drenagem e impermeabilização adequada, agindo positivamente na retenção de poeira e substâncias suspensas no ar; na climatização do ambiente interior e exterior ao telhado verde, proporcionado pela evapotranspiração das plantas e diminuição das perdas de calor no inverno, funcionando como isolante térmico; na absorção de ruídos pela barreira vegetal; na elevação da umidade relativa do ar nas proximidades do telhado, o que pode afetar diretamente na saúde da população residente no local (PALLA et al., 2008), conforme apresentado na Figura 1. Figura 1 - Representação esquemática de um telhado verde. Segundo Collischonn e Tassi (2008), em condições naturais a umidade do solo varia ao longo do tempo, sob o efeito das chuvas e das variações sazonais de temperatura, precipitação e evapotranspiração, e uma equação de balanço hídrico de uma camada de solo pode ser expressa pela Equação 1. Da descrição apresentada pelos autores para cada uma das variáveis da Equação 1, destaca-se: a percolação, que é a passagem da água da camada superficial do solo para camadas mais profundas e a evapotranspiração, que corresponde à retirada de água por evaporação direta do solo e por transpiração das plantas. V = P Q G ET (1) Onde: V é a variação de volume de água armazenada no solo; P é a precipitação; Q é o escoamento superficial; G é a percolação e ET é a evapotranspiração. Organizando a Equação (1) em entradas e saídas, para um determinado volume de solo, chegase à Equação 2. P = Q + G + ET + V (2) No caso dos telhados verdes, considerando-se o sistema de análise como (substrato + vegetação), e que a camada do substrato é bastante estreita no telhado extensivo, não superando muito mais que 20 cm (no caso dos telhados com vegetações de grande porte, chamados de telhados intensivos), a percolação pode ser desconsiderada. Sobre as demais variáveis, considera-se que a entrada de água ocorre através da precipitação; e as saídas ocorrem por evapotranspiração e pelo escoamento para fora do telhado (Qsaída). O escoamento para fora do telhado é constituído pela parcela XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 interceptada pela vegetação e a parcela infiltrada no substrato. Sendo assim, considera-se que a equação do balanço hídrico de um telhado verde pode ser entendida a partir da Equação 3. P = Qsaída + ET + V (3) Como pode-se observar na Equação 3, conceitualmente, o telhado verde pode se caracterizar como um dispositivo útil para o controle das inundações, desde que o volume escoado para fora do telhado seja armazenado em reservatórios para posterior uso e/ou para posterior descarte na rede de drenagem. Nestas condições, o volume retido (armazenado no sistema substrato-vegetação + armazenado em reservatórios) não mais contribui para a intensificação do volume escoado, que é o principal elemento hidrológico responsável pelas enchentes. Sobre isso, Palla et al. (2008) afirmam que o telhado verde retém uma parcela da água pluvial para o metabolismo das plantas, diminuindo o volume original de água que escoa dos telhados e vai para o sistema de drenagem, como também, retarda o tempo de pico do escoamento superficial. Complementarmente, Lee et al. (2013) concluíram que o telhado verde apresenta elevada capacidade de retenção para precipitações com intensidades inferiores a 20 mm/h, no entanto, quando a intensidade da precipitação aumenta, a capacidade de retenção do telhado verde diminui. Ainda segundo os mesmos autores, a capacidade de retenção de um telhado de concreto é de 9%, em contrapartida, a capacidade de retenção de um telhado verde varia entre 44 e 52%. A capacidade de retenção da água de chuva pelos telhados verdes é evidente e neste trabalho apresenta-se os resultados de um estudo sobre o desempenho do sistema substrato-vegetação, considerando-se distintas vegetações em clima semiárido. Com base na análise estatística dos dados de precipitação do município de Caruaru, onde se desenvolveu o projeto, chegou-se a valores de precipitação típicos que foram empregados no experimento controlado em que se utilizou aspersores para entrada de água no sistema. MATERIAIS E MÉTODOS Área de estudo O município de Caruaru, onde está localizado o Centro Acadêmico do Agreste (CAA) no campus interiorizado da UFPE, fica na região do semiárido pernambucano. Caruaru faz parte do polo de desenvolvimento têxtil da região de desenvolvimento do Agreste Pernambucano e, segundo dados do IBGE (2010), com taxa de urbanização superior a 88% distribuída numa área de 921 km². Com considerável impermeabilização do seu solo natural, o município de Caruaru apresenta vários problemas de alagamentos e inundações que ocorrem recorrentemente nos períodos de maior intensidade pluviométrica. Para investigar o desempenho do telhado verde em condições climáticas do semiárido, foram instaladas unidades experimentais nas instalações da Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuária - IPA, no município de Caruaru, em uma edificação térrea pré-existente com três ambientes semelhantes que se mostraram muito apropriados para a instalação do telhado verde. Os detalhes construtivos dessas instalações foram apresentados por Santos et al. (2009). De acordo com os autores, a área cedida pelo IPA para o desenvolvimento da pesquisa corresponde a dois banheiros desativados e um pequeno quarto, com aproximadamente 4 m 2 em cada ambiente. Na laje de dois destes ambientes, foram implantados os telhados verdes e na laje do outro, conservou-se o telhado convencional. O telhado convencional, com 4,69 m 2 de superfície de captação, tem como cobertura telhas cerâmicas, enquanto que as vegetações utilizadas foram Babosa (Aloe Vera), no telhado verde 1 com 4,35 m 2, e Coroa-de-Frade (Melocactus Zenteri), no telhado verde 2 com 3,45 m 2, conforme esquema apresentado na Figura 2. Ambos os telhados verdes têm espessura de 12 cm. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Figura 2 - Esquema de disposição dos telhados verdes e convencional nas instalações do IPA em Caruaru. Fonte: Santos et al. (2009). A água escoada dos três telhados é direcionada aos tonéis de armazenamento por meio de tubos de PVC instalados junto às muretas de contenção do substrato, na parte baixa da edificação. Para cada telhado existe um tonel específico para armazenamento da água. Visando analisar o desempenho das estruturas em condições controladas foram instalados, no âmbito de outra pesquisa, aspersores que permitiram precipitar sobre o telhado uma determinada quantidade de água com intensidade prédefinida e realização de registro de umidade do solo e do nível d água nos tonéis de armazenamento (com capacidade de 240 litros), simultaneamente. Constituem componentes do sistema de aspersão: hidrômetro, aspersores, tubulação ascendente, tanque de armazenamento de água. Os telhados verdes, o telhado convencional, o sistema de captação e armazenamento de água, e o sistema de bombeamento e aspersão de água constituem a Unidade Experimental de Telhados Verdes (UETV) do CAA. Dados pluviométricos Uma etapa anterior desta pesquisa se destinou ao estudo da série histórica dos municípios da região do Agreste Pernambucano, inclusive o município de Caruaru, com dados a partir de 1969 até o ano de A partir da série histórica, foi realizado uma análise estatística com objetivo de determinar os gráficos com precipitação total anual e média móvel de 10 anos. Como também, determinar o período seco e o período chuvoso do município, trabalhou-se com o valor médio mensal obtido da precipitação média anual acumulada no período de 1969 a 2014, obtendo-se essa média como valor de referência. Considerando esse valor como o limite entre o período seco e o período chuvoso, fez-se a diferença do valor médio de cada mês por ele e construiu o gráfico de todo o histórico (1969 a 2014). Dados pluviométricos disponibilizados pela Agência Pernambucana de Águas e Clima (APAC, 2014) da estação 24 localizada no IPA (Caruaru) foram adicionados ao estudo da série histórica realizada. Experimento O experimento, que foi realizado no dia 3 de setembro de 2014, na UETV, durou 58 minutos e consistiu na medição do volume escoado dos telhados para o interior dos tonéis (Qsaída) em consequência da entrada de água (P) no sistema substrato-vegetação com o acionamento dos aspersores, bem como da determinação do teor de umidade de cada substrato. No que se refere à evapotranspiração, de acordo com SETRA (2009), a evapotranspiração potencial (recomendada para estudos em regiões semiáridas) na cidade de Caruaru é em torno de 1850 mm/ano, o que corresponde a aproximadamente 0,21 mm/hora, tendo sido considerado muito XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 pequeno e, por isso, desprezado neste estudo. Assim sendo, o balanço hídrico dos telhados verdes nestas condições pode ser considerado a partir da Equação 4. P = Qsaída + V (4) Balanço hídrico - Determinação da entrada (P) Com os aspersores ligados, por 58 minutos e, com intensidade de 74,21 mm/h, o volume total de água aspergido sobre os telhados foi de 896 litros, sendo 336,45 litros sobre o telhado convencional (utilizado como telhado controle), 312,06 litros sobre o telhado verde com Babosa e 247,49 litros sobre o telhado verde com Coroa-de-Frade. A variável de entrada no telhado verde foi obtida através da leitura do hidrômetro, instalado no IPA. Portanto, o volume de água que entrou em cada telhado foi obtido a partir da proporção entre o volume lido no hidrômetro e a área de cada telhado. Balanço hídrico - Determinação das saídas (Qsaída, V) O escoamento para fora dos telhados (Qsaída) foi obtido a partir da medição do volume armazenado nos tonéis graduados, uma vez que o volume e o nível da água no tonel obedecem uma relação já definida. Durante o experimento media-se o tempo necessário para acumular cada litro de água nos tonéis de captação. A variação de volume de água armazenada no solo ( V), é determinada a partir do teor de umidade do solo. Assim sendo, teores de umidade dos substratos foram determinados a partir de ensaios laboratoriais. Esses ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia do CAA/UFPE conforme a NBR 6457/1986 (Amostras de Solo - Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização). Em cada visita ao IPA eram coletadas, com colher de pedreiro, três amostras deformadas do substrato de cada telhado verde, antes do início do experimento. Foram utilizadas três cápsulas para cada amostra de solo, totalizando nove cápsulas por telhado verde. As cápsulas eram pesadas vazias, com os substratos, e após passarem 24 horas em estufa (solo seco). A umidade era então determinada através da relação entra massa de água e a massa de solo. Portanto, a umidade final era a média das umidades obtidas para cada solo. RESULTADOS E DISCUSSÃO Histórico das chuvas em Caruaru Na Figura 3a é apresentado o gráfico da distribuição da precipitação total anual. A precipitação anual média desse período é de 691,1mm. De acordo com o gráfico observa-se que o ano de 1993 apresentou a menor ocorrência de chuva, 329,2 mm, e o ano que mais choveu foi 2011, com 1059,9 mm. Pode-se observar também, que no período entre 1993 e 2014 as precipitações apresentam valores extremos. Com o objetivo de determinar o período seco e o período chuvoso, trabalhou-se com o valor médio mensal obtido da precipitação média anual acumulada, obtendo-se média de 57,6 mm como valor de referência média mensal. Considerando esse valor como o limite entre os dois períodos, seco e chuvoso, fez-se a diferença do valor médio de cada mês por este e construiu-se o gráfico da Figura 3b. De acordo com a Figura 3b, observa-se que o período chuvoso do município está compreendido entre os meses de fevereiro e julho, sendo o mês de julho o mês mais chuvoso do ano. De acordo com o gráfico da Figura 4, é possível observar que a média móvel a cada 10 anos evidencia uma tendência praticamente decrescente até o ano de 1999 e uma tendência praticamente crescente a partir de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 (a) Série temporal da precipitação total anual. (b) Desvio de precipitação média mensal. Figura 3 - Dados de precipitação referente ao posto Caruaru 24. Figura 4 - Gráfico da média móvel da precipitação total anual a cada 10 anos, posto Caruaru 24. De acordo com a análise dos dados históricos de precipitação no município de Caruaru, podese observar que o município apresentou nos últimos anos, períodos muito secos e períodos muito chuvosos, como também, apresentou uma tendência crescente da precipitação média nos últimos anos do histórico. Elevadas intensidades pluviométricas associadas a elevadas taxas de impermeabilização do solo natural, acarreta aumento na frequência e proporção das inundações. Capacidade de retenção Para analisar a capacidade de retenção dos telhados verdes, foi determinada a umidade antes de simular a precipitação através dos aspersores. Os valores de umidades obtidos foram: 2,91% no telhado verde com Babosa e 3,28% no telhado verde com Coroa-de-Frade. Os valores de umidades iniciais de ambos os telhados verdes foram baixos, devido ao período de estresse hídrico do município, o que contribuiu para uma maior eficiência dos telhados em relação à capacidade de retenção, visto que, é necessário maior volume de água para atingir o seu ponto de saturação. A partir dos dados obtidos no experimento, criou-se os gráficos apresentados abaixo, com valores precipitados, retidos e acumulados. O volume retido em cada telhado foi obtido a partir da diferença entre o volume que entrou no sistema e o volume escoado para o tonel durante um determinado intervalo de tempo. Na Figura 5a é apresentado o gráfico com a relação da capacidade de retenção do telhado verde Babosa, ao longo do tempo, e a precipitação. Pode-se observar que até 19,2 minutos após o início do experimento, tempo necessário para acumular um litro no tonel, o telhado verde com Babosa reteve 102,3 litros, o que corresponde a 33% do volume total que entrou no telhado verde com Babosa. A XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 partir do minuto 19,2 até o final do experimento, o telhado reteve mais 137,8 litros, que corresponde a 44% do volume total que entrou no telhado verde com Babosa, totalizando ao final do experimento uma retenção de 77%. Após 19,2 minutos do início do experimento, a precipitação necessária para acumular um litro no tonel permanece praticamente constante, como também, observa-se que à medida que vai aumentando o tempo de ensaio o telhado verde vai diminuindo a sua capacidade de retenção, isso pode ser justificado devido ao solo encontrar-se saturado após esse intervalo de tempo. (b) Telhado verde com Coroa-de-Frade. (a) Telhado verde com Babosa. Figura 5 - Relação das precipitações com os volumes retidos no telhado verde com Babosa. A relação da capacidade de retenção do telhado verde com Coroa-de-Frade com a precipitação, ao longo do tempo, é apresentado na Figura 5b. De acordo com o gráfico, após 46,4 minutos do início do experimento, tempo necessário para acumular o primeiro litro no tonel, o telhado reteve 197 litros o que corresponde a 80% do volume total que entrou no telhado durante o experimento. Após esse intervalo o telhado reteve mais 45,5 litros, 18% do volume total, totalizando ao final do experimento uma retenção de 98% do volume precipitado no telhado. Observou-se também que à medida que vai aumentando o tempo de ensaio o telhado verde vai diminuindo a sua capacidade de retenção, isso pode ser justificado devido ao solo encontrar-se saturado após esse intervalo de tempo, assim como ocorreu no telhado verde com Babosa. Foi analisado também o comportamento dos telhados após desligar os aspersores. Na Figura 6, apresenta-se a relação do tempo com os volumes acumulados escoados para os tonéis de captação de cada telhado verde após os aspersores serem desligados. De acordo com o gráfico pode-se observar que, para o telhado verde com Babosa, 1 minuto após os aspersores serem desligados foi acumulado um litro no tonel de captação, e que para acumular o segundo litro foi necessário 1,5 minutos após acumulado o primeiro litro, ou 2,5 minutos após desligado os aspersores, sendo assim, foram necessários 6,4 minutos para acumular os 7 litros no tonel de captação do telhado verde com Babosa. No entanto, no telhado verde com Coroa-de-Frade, após desligar os aspersores acumulou-se apenas 1 litro no tonel de captação da água do telhado verde com Coroa-de-Frade e o mesmo ocorreu 3 minutos após desligar os aspersores. Figura 6 - Relação do tempo com os volumes acumulados escoados para os tonéis de captação de cada telhado verde após os aspersores serem desligados. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 CONCLUSÕES De acordo com a análise estatística da precipitação do município de Caruaru, verificou-se que ocorre uma tendência decrescente entre 1969 e 1999, e uma tendência crescente entre 2000 e Nos últimos anos da série de dados, a precipitação anual apresentou valores extremos, onde 1993 foi o ano mais seco e 2004 foi o ano mais chuvoso, evidenciando assim, uma tendência de períodos muito secos e períodos muito chuvosos. Observou-se que o período chuvoso do município de Caruaru ocorre entre os meses de fevereiro e julho, sendo o mês de julho o mais chuvoso do ano. Verificou-se que o telhado verde com Coroa-de-Frade possui maior capacidade de retenção. Foi possível observar também que à medida que vai aumentando o tempo de ensaio o telhado verde vai diminuindo a sua capacidade de retenção, isso pode ser justificado devido ao solo encontrar-se saturado após um determinado intervalo de tempo. Portanto, o telhado verde apresenta-se como alternativa para minimização dos problemas decorrentes das inundações, visto que, o mesmo contribui positivamente para os sistemas de drenagem, pois retém uma parcela significativa da precipitação, como também, retarda o tempo de pico do escoamento superficial. REFERÊNCIAS ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1986). NBR 6457 Amostras de Solo Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização, 9p. APAC - Agência Pernambucana de Águas e Clima. (2014). Disponível em: Acesso em 13/02/2014. COLLISCHONN, W.; TASSI, R. (2010). Introduzindo Hidrologia. IPH, ed. UFRGS, Porto Alegre RS, pp.71. IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. (2004). Censo Demográfico de Disponível em: Acesso em 14/02/2014. LEE, J. Y.; MOON, H. J.; KIN, T. I.; KIM, H. W.; HAN, M. Y. (2013). Quantitative analysis on the urban flood mitigation effect by the extensive green roof system. Environmental Pollution. Corea do Sul. PALLA, A.; BERRETTA, C.; LANZA, L. G.; BARBERA, P. La. (2008). Modelling storm water control operated by green roofs at the urban catchment scale. University of Genoa Italy, 11th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK. SANTOS, S.M.; MONTENEGRO, S.M.G.L.; ARAÚJO FILHO, P.F.; CABRAL, J.J.S.P.; ARAÚJO, T.F. (2009). Determinação da utilidade do uso de telhado verde no Agreste Pernambucano. Anais do V Encontro Nacional e III Encontro Latino-Americano sobre Edificações e Comunidades Sustentáveis. Recife-PE, 10p. SETRA - Secretaria de Transportes do Governo do Estado de Pernambuco. (2009). Vol 2 Diagnóstico e Avaliação Ambiental. Em: Estudo Impacto Ambiental da Duplicação da BR-104, 264 p. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8