AVALIAÇÃO DE METODOLOGIAS PARA DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS PARA APROVEITAMENTO DE ÁGUA PLUVIAL

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC CURSO DE ENGENHARIA CIVIL LEONARDO FONTANELA AVALIAÇÃO DE METODOLOGIAS PARA DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS PARA APROVEITAMENTO DE ÁGUA PLUVIAL CRICIÚMA, JUNHO DE 2010

2 LEONARDO FONTANELA AVALIAÇÃO DE METODOLOGIAS PARA DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS PARA APROVEITAMENTO DE ÁGUA PLUVIAL Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito para obtenção do grau de Engenheiro Civil, no curso de Engenharia Civil da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC. Orientador: Prof. Dr. Álvaro José Back CRICIÚMA, JUNHO DE 2010

3 LEONARDO FONTANELA AVALIAÇÃO DE METODOLOGIAS PARA DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS PARA APROVEITAMENTO DE ÁGUA PLUVIAL Trabalho de Conclusão de Curso aprovado pela Banca Examinadora para obtenção do grau de Engenheiro Civil, no curso de Engenharia Civil da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC, com Linha de Pesquisa em Hidrologia e Hidráulica. Criciúma, 23 de Junho de BANCA EXAMINADORA Prof. Álvaro José Back - Doutor - (UNESC) - Orientador Prof. Esp. Alexandre Vargas - Engenheiro Civil - (UNESC) Prof. Esp. Nestor Back - Engenheiro Civil - (UNESC)

4 Minha dedicatória é para as pessoas que racionalizam a água neste planeta, e anseio que esta quantidade eleve-se cada vez mais.

5 AGRADECIMENTO A verdadeira gratidão tem maior sentido quando encontra-se a realização. Por isto, agradeço imensamente a todos que contribuíram para a realização desta pesquisa, em especial ao professor Álvaro José Back pela orientação e auxílio. À minha família e amigos, que tanto apoiaram e acreditaram no meu sucesso em mais esta etapa. E sobretudo a Deus.

6 Não tenhamos pressa, mas não percamos tempo. José Saramago

7 RESUMO A consciência ambiental vem sendo cada vez mais assimilada por todos nós. Projetos de redução do consumo e reuso dos recursos naturais são empregados a cada dia mais. A exemplo disto, é o aproveitamento de águas pluviais em residências, onde um sistema é facilmente empregado trazendo muitas vantagens. Para um sistema como este, é imprescindível a instalação de um reservatório para armazenamento da água pluvial coletada. Este, sendo um dos itens de maior custo no projeto, deve passar por um dimensionamento do seu volume para obter a melhor relação custo/benefício. Desta forma, o presente trabalho visa pesquisar e estudar os métodos mais utilizados para este dimensionamento, realizando sua aplicação em uma séria pluviométrica da região sul de Santa Catarina. Foram simuladas condições para esta aplicação, estudando quatro dimensões de residências para faixas de consumo de água e percentuais de atendimentos diferentes. Com os resultados para estas variações, obtem-se elementos para consulta futura (gráficos e tabelas), bem como uma planilha para simulação de volumes do reservatório através do Método da Simulação do Reservatório ou Balanço Hídrico Seriado. Palavras-chave: Aproveitamento, Águas Pluviais, Dimensionamento, Métodos.

8 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 01 - Distribuição de água no planeta...17 Figura 02 - Distribuição mundial do consumo de água Figura 03 - Planilha de cálculo para dimensionamento do volume do reservatório - Método do Balanço Hídrico Seriado...41 Figura 04 - Resultados obtidos para área de coleta de 50 m²...43 Figura 05 - Resultados obtidos para área de coleta de 100 m²...44 Figura 06 - Resultados obtidos para área de coleta de 200 m²...46 Figura 07 - Resultados obtidos para área de coleta de 400 m²...48 Figura 08 - Volume do reservatório, Método Azevedo Neto...49 Figura 09 - Volume do reservatório, Método Prático Alemão...52 Figura 10 - Volume do reservatório, Método Prático Inglês...55 Figura 11 - Resultados da aplicação do Método Prático Australiano...57

9 LISTA DE TABELAS Tabela 01 - Produção hídrica no mundo por região...18 Tabela 02 - Proporção de área territorial, disponibilidade de água e população para as cinco regiões do Brasil...19 Tabela 03 - Grau de pureza x local de coleta x utilização das águas pluviais...21 Tabela 04 - Distribuição do consumo de água residencial em São Paulo...23 Tabela 05 - Coeficientes de escoamento superficial...32 Tabela 06 - Consumo unitário por ponto...33 Tabela 07 - Ocupação x área da residência...34 Tabela 08 - Demanda de água não potável por ponto de consumo...34 Tabela 09 - Valores máximos e mínimos de demanda empregada Tabela 10 - Resultados obtidos para área de coleta de 50 m²...43 Tabela 11 - Resultados obtidos para área de coleta de 100 m²...44 Tabela 12 - Resultados obtidos para área de coleta de 200 m²...45 Tabela 13 - Resultados obtidos para área de coleta de 400 m²...47 Tabela 14 - Precipitação anual...51 Tabela 15 - Resultados da aplicação do Método Prático Alemão...52 Tabela 16 - Resultados da aplicação do Método Prático Inglês...54 Tabela 17 - Resultados da aplicação do Método Prático Australiano...56 Tabela 18 - Resultados da aplicação do Método de Rippl...59 Tabela 19 - Número máximo de dias consecutivos sem chuva no ano, em ordem decrescente...60 Tabela 20 - Determinação do número de dias e período de retorno...62 Tabela 21 - Determinação do número de dias e período de retorno (tabela consulta)...63 Tabela 22 - Volume de chuva captável em 22 dias...64 Tabela 23 - Percentual de atendimento do reservatório...64 Tabela 24 - Comparativo de volumes do reservatório entre os métodos...65

10 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas ANA - Agência Nacional de Águas acum. - acumulado arred. - arredondado descargas/hab/dia - descargas por habitante por dia Epagri - Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina F - frequência hab - habitantes km² - quilômetros quadrados km³ - quilômetros cúbicos km³/ano - quilômetros cúbicos por ano L - litros L/dia - litros por dia L/descarga - litros por descarga L/m² - litros por metro quadrado m² - metros quadrados m³ - metros cúbicos mm - milímetros NBR - Norma Brasileira Regulamentadora ONU - Organização das Nações Unidas PROSAB - Programa de Pesquisas em Saneamento Básico ph - potencial hidrogeniônico PVC - policloreto de vinilo SC - Santa Catarina s/r - sem registro T - tempo de retorno utilizações/mês - utilizações por mês vol. - volume % - porcentagem in loco - no local

11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Tema Delimitação do Tema Problemas da Pesquisa Objetivos Objetivo geral Objetivos específicos Justificativa REFERENCIAL TEÓRICO Disponibilidade de Recursos Hídricos a Nível Mundial Disponibilidade de Recursos Hídricos no Brasil Aproveitamento de Água Pluvial Qualidade da água pluvial Usos da água pluvial Métodos para Dimensionamento de Reservatórios MATERIAIS E MÉTODOS Variáveis Área de contribuição Demanda Precipitação Calhas e coletores pluviais Reservatórios e cisternas Aplicação do Balanço Hídrico Seriado RESULTADOS OBTIDOS Método do Balanço Hídrico Seriado Área de coleta: 50 m² Área de coleta: 100 m² Área de coleta: 200 m²... 45

12 4.1.4 Área de coleta: 400 m² Método Azevedo Neto Método Prático Alemão Método Prático Inglês Método Prático Australiano Método de Rippl Método A - Seca Máxima Anual CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 67

13 13 1 INTRODUÇÃO Atualmente as questões ambientais estão sendo cada vez mais focadas pela sociedade, devido a grande preocupação dos serem humanos em tentar minimizar os impactos que os próprios causam no meio ambiente durante seu período de vida. Os conceitos de redução de impacto, reciclagem de materiais e reuso de recursos estão sendo muito valorizados e discutidos, pois com o advento da globalização do planeta surgiu também a consciência para o meio ecológico. O ciclo formado pelos três R (Redução, Reciclagem e Reuso) é uma nova preocupação e engloba quase tudo que nos deparamos hoje em termos de consumismo no dia a dia das sociedades. A consciência adquirida com o receio de faltar recursos naturais em um futuro próximo nos leva a aprofundar os estudos em métodos para reduzir o consumo e reutilizá-los posteriormente. A água, que é um elemento essencial à vida desde a origem da Terra, faz suprir as necessidades de sobrevivência e é de fundamental importância nas atividades econômicas, sendo responsável pelo desenvolvimento de muitas civilizações. Porém, a água vem sendo muito degradada pela ação do homem nas suas diversas utilizações, onde destrói alagados, rios, polui os mananciais, entre outros, diminuindo a qualidade da água disponível no estado líquido. Desta forma, a redução do consumo através da reutilização da água é uma das diversas maneiras de recuperar a degradação do meio ambiente. Um dos métodos mais eficientes de reaproveitamento de água é através da captação da água da chuva que incide diretamente nos telhados das residências e edificações. Sendo reaproveitada para fins não potáveis, existe uma série de aplicações deste recurso, seja no consumo interno e externo das residências, na utilização industrial e também na agricultura. Existem diversos métodos para dimensionamento dos reservatórios de armazenamento de água de chuva, que podem levar a valores discrepantes entre si. Como o custo do reservatório é um dos itens mais altos sobre o custo total, o dimensionamento inadequado pode inviabilizar economicamente o projeto de captação de água da chuva.

14 Tema água pluvial. Metodologia para dimensionamento de reservatórios para aproveitamento de 1.2 Delimitação do Tema Aplicação do método do Balanço Hídrico Seriado para dimensionamento de reservatórios de água pluvial, e comparativo com demais métodos existentes. 1.3 Problemas da Pesquisa Ao se optar em instalar um sistema de reaproveitamento de águas pluviais em uma residência, deve-se obervar alguns fatores importantes para a viabilidade do projeto. O reservatório ou cisterna que acumula a água da chuva é um item que deve receber atenção especial, pois tem a maior participação dentro do custo do sistema. Para se obter o volume mais adequado do reservatório é necessário empregar uma metodologia de cálculo, sendo que existem várias disponíveis. Utilizando o Balanço Hídrico Seriado obtem-se o volume mais adequado a situação, visto que o mesmo traz o resultado obtido proveniente de uma análise diária da precipitação de chuva de uma série histórica geralmente grande. 1.4 Objetivos Objetivo geral Realizar estudos das metodologias para o dimensionamento de reservatórios para aproveitamento de água da chuva em estabelecimento residencial.

15 Objetivos específicos Pesquisar os métodos mais utilizados para dimensionamento do volume de um reservatório para coleta de água pluvial. Realizar estudo comparativo entre as diversas metodologias utilizando dados pluviométricos da região sul de Santa Catarina. Determinar as variáveis e suas características que influenciam nos cálculos utilizados em cada método pesquisado. Elaborar gráficos e tabelas de consultas para o dimensionamento dos reservatórios envolvendo as variáveis: área de captação, demanda de água e dados pluviométricos. Elaborar uma planilha de cálculo para o dimensionamento de reservatórios pelo método do Balanço Hídrico Seriado. 1.5 Justificativa A disponibilidade de água das chuvas e a necessidade de conscientização não descartam a estudo de uma avaliação prévia para a implantação de um sistema de reaproveitamento. Estudo este, tem como objetivo analisar a viabilidade técnicaeconômica do projeto, que inclui várias etapas e fatores determinantes para o sucesso pretendido. O regime pluviométrico em Santa Catarina, a área da captação e a demanda real de utilização, entre outros, são itens que viabilizam ou inviabilizam o projeto técnico a ser construído para que a água chegue no ponto de consumo proposto. E faz parte deste projeto o reservatório destinado ao armazenamento da água coletada para posterior distribuição nos pontos da edificação, sendo que o mesmo interfere significativamente na questão econômica do projeto a ser implantado. Esta interferência está ligada diretamente no custo do reservatório ou cisterna, que ao ser dimensionado inadequadamente para cada sistema, pode inviabilizar totalmente o projeto. Do contrário também se faz verdadeiro, um sistema com uma cisterna de dimensionamento adequado pode trazer bons resultados, impactantes a um menor tempo de retorno do investimento.

16 16 Assim sendo, torna-se de suma importância aprimorar e aprofundar estudos neste item específico (reservatório de armazenamento da água pluvial), iniciando-se pela objetivação da metodologia mais adequada para a definição do volume do reservatório. As metodologias utilizadas para este dimensionamento se traduzem em métodos específicos que envolvem considerações diferentes, variáveis diferentes e que se traduzem em análise de resultados também diferentes. E por esta razão que é muito válido tentar compreendê-los para se obter um conceito do método com maior eficiência a ser aplicado na prática.

17 17 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 Disponibilidade de Recursos Hídricos a Nível Mundial Entende-se como a disponibilidade de recursos hídricos, todos os recursos de água existente em determinada região ou bacia hidrográfica, independente para qual uso for e onde encontrar-se armazenada, tanto superficiais quanto subterrâneas (MARINOSKI, 2007). Os recursos hídricos representam um patrimônio público essencial ao desenvolvimento econômico e social, sendo que seu planejamento e eficaz gestão devem ser em conta para que haja um desenvolvimento sustentável da população (KOCH, 2007). Esta disponibilidade do recurso tão essencial à vida se traduz em números que para grande maioria das pessoas são interpretados como infinitos pela expressão elevada de representatividade dos mesmos. Porém, ao se detalhar esses números, vemos que este recurso é finito e se torna cada vez mais escasso, sendo que, no planeta Terra quatro quintos (4/5) da superfície é abrangida por água, porém apenas 0,3% do volume pode ser aproveitado para o consumo humano (BRASIL, 2004). Figura 01 - Distribuição de água no planeta. Fonte: Brasil (2004).

18 18 O volume de água no planeta é estimado em milhões de km³, dispostos nos oceanos, rios, lagos, geleiras, calotas polares e aquíferos. De água na forma sólida, têm-se 68,9% de água doce, 30,8% nos reservatórios subterrâneos e apenas os 0,3% acessíveis ao consumo humano encontrada em rios, lagos e em alguns mananciais subterrâneos. Portanto, de milhões de km³ nos restam 100 mil km³, os 0,3% tornam-se então extremamente reduzidos. A água no planeta Terra está distribuída de forma não uniforme, pois as características do ciclo hidrológico não são homogêneas, sendo que na Ásia e na América do Sul se concentram os maiores volumes disponíveis. A Ásia detém a maior parcela mundial deste recurso, representando 31,6% com vazões de km³/ano. Os menores potenciais são encontrados na Oceania, Austrália e Tasmânia (TOMAZ, 1998). Os valores de produção hídrica por região do mundo estão apresentados na tabela 01. Tabela 01 - Produção hídrica no mundo por região. Fonte: TOMAZ, Região do Mundo Vazão (km³/ano) Participação (%) Ásia ,6 América do Sul ,1 América do Norte ,0 África ,0 Europa ,0 Antártida ,0 Oceania ,5 Austrália e Tasmânia ,8 Total , Disponibilidade de Recursos Hídricos no Brasil Para Macedo (2004), o Brasil é considerado pela ONU como um país rico em água, pois detém aproximadamente 12% da água doce do planeta. O país se destaca por possuir uma vazão média de água de km³/ano, que corresponde a 53% da vazão média total da América do Sul. As principais bacias hidrográficas do Brasil são a do Rio Amazonas, do Tocantins-Araguaia, do São

19 19 Francisco, do Atlântico Norte-Nordeste, do Uruguai, do Atlântico Leste, do Atlântico Sul e Sudeste, dos Rios Paraná e Paraguai. A maior rede hidrográfica mundial é a da Bacia Amazônica, que abrange uma área de drenagem da ordem de Km², ocupando cerca de 42% da superfície do território brasileiro e se estendendo além da fronteira da Venezuela à Bolívia (MARINOSKI, 2007). Outro local de grande armazenamento de água é em reservatórios subterrâneos. E é no Brasil que está inserido geograficamente 71% de um dos maiores mananciais de água subterrânea do mundo, o Aquífero Guaraní, que cobre uma superfície de quase 1,2 milhões de km², fazendo parte da Bacia Geológica Sedimentar do Paraná. O Aquífero Guaraní abrange também territórios do Uruguai e Argentina, sendo que constitui-se a principal reserva de água subterrânea da América do Sul, com um volume estimado em 46 mil km³ (AQUÍFERO GUARANÍ, 2010). Apesar de o território brasileiro apresentar grande disponibilidade deste recurso, o mesmo não está distribuído uniformemente pelo país, havendo um grande desequilíbrio entre oferta de água e demanda. Isto significa que a abundância de água não necessariamente indica qualidade do recurso, pois a concentração urbana está na contramão desta disponibilidade hídrica (BORGES, 2009). A tabela 02 mostra a proporção de área territorial, disponibilidade de água e população para as cinco regiões do Brasil. Tabela 02 - Proporção de área territorial, disponibilidade de água e população para as cinco regiões do Brasil (GHISI, 2010). Região Área Territ. (%) Disponib. Água (%) População (%) Norte Nordeste Sudeste Sul Centro-Oeste Total Com estes indicadores verifica-se no Brasil, que as regiões mais populosas são justamente as que possuem menor disponibilidade de água, por outro lado onde

20 20 há muita água ocorre baixo índice populacional. A exemplo disso pode-se citar a Região Sudeste do Brasil, que dispõe de um potencial hídrico de apenas 6% do total nacional, porém conta com 43% do total de habitantes do país. Enquanto a Região Norte, que compreende a Bacia Amazônica, apresenta 69% de água disponível, contando com apenas 8% da população brasileira, para a análise de Marinoski (2007). 2.3 Aproveitamento de Água Pluvial A disponibilidade da água para o aproveitamento humano vem diminuindo, conforme as estatísticas mostram. As reservas estão cada vez menores, o consumo está cada vez maior e dentro deste contexto forçamos-nos a encontrar formas de reaproveitamento de água, sendo uma delas a coleta de água pluvial. Porém, esta medida não foi criada no século XX ou XXI. Para pesquisadores do Instituto de Pesquisas Técnicas (IPT) a prática do aproveitamento de água de chuva no Brasil remonta aos primeiros assentamentos na época do Descobrimento, sendo que a atual conjuntura renova a oportunidade dessa medida sob a égide da sustentabilidade. Para May (2004), existem vários aspectos positivos no uso de sistemas de aproveitamento de água pluvial, pois estes possibilitam reduzir o consumo de água potável diminuindo os custos de água fornecida pelas companhias de abastecimento. Assim, minimizam-se riscos de enchentes e preserva-se o meio ambiente Qualidade da água pluvial A água precipitada na forma de chuva é apenas uma das fases componentes de todo um ciclo hidrológico desenvolvido constantemente na natureza. Sua formação passa por toda a atmosfera, em várias formas, ambientes, temperaturas e processos que modificam suas propriedades até serem captadas para reutilização. De acordo com Zolet (2005), estão presentes na atmosfera uma mistura de gases na forma de partículas sólidas e líquidas em suspensão. E a formação da chuva, de uma forma genérica, é o resultado da combinação entre gotículas que

21 21 formam as nuvens e de substâncias que a elas se incorporam durante a precipitação. Então, sendo de conhecimento que a água da chuva apresenta propriedades químicas, elas podem sofrer variações conforme vários fatores, como as cargas poluentes na atmosfera, as condições meteorológicas, as estações do ano, duração e intensidade da precipitação, localização geográfica e até mesmo o regime dos ventos. Para Jaques (2005), essas variantes influenciam de modo natural a modificar as propriedades da água que precipita na superície terrestre, como o ph. Para o emprego da água da chuva nas residências, é necessário então ter um mínimo de qualidade deste material. Pode ser realizada uma classificação prévia conforme o seu grau de pureza, baseado no local de coleta da água da chuva. A tabela 03 mostra esta relação. Tabela 03 - Grau de pureza x local de coleta x utilização das águas pluviais. Fonte: ZOLET (2005), citando FENDRICH (2002) apud GROUP RAINDROPS (1995). Grau de Pureza A B C D Área de Coleta das Águas Pluviais Telhados (locais não usados por pessoas e animais) Coberturas, sacadas (locais usados por pessoas e animais) Estacionamentos e jardins artificiais Vias elevadas, Estradas de Ferro e Rodovias Utilização das Águas Pluviais Vaso sanitário, rega de plantas e outros usos. Se purificadas por tratamento simples são potáveis ao consumo. Vaso sanitário, rega de plantas e outros usos, mas impróprias para consumo. (tratamento necessário) Vaso sanitário, rega de plantas e outros usos, mas impróprias para consumo. (tratamento necessário) Vaso sanitário, rega de plantas e outros usos, mas impróprias para consumo. (tratamento necessário)

22 Usos da água pluvial A utilização da água reaproveitada é muito bem vinda em todos os setores, residencial, agrícola e industrial. Os seus diferentes usos para fins não potáveis podem ser enfocados em vários itens. Altos índices de aproveitamento de água podem ser implantados na área agrícola, pois de acordo com Rebouças (1994 apud PROSAB, 2006) o uso de água na agricultura ocorre de forma ineficiente, com desperdício estimado de 60% de toda a água despendida para este setor. Atualmente, o setor que mais consome água doce no mundo é o agrícola, seguido pelo consumo doméstico e industrial. (figura 02) Indústria 7% Doméstico 23% Agricultura 70% Figura 02 - Distribuição mundial do consumo de água. Fonte: PROSAB, Nas residências, além da irrigação de jardins, limpeza doméstica, lavação de veículos, piscinas, entre outros, o principal uso de água ocorre em atividades de higiene pessoal e limpeza. A tabela 03 apresenta uma distribuição do consumo de água residencial na cidade de São Paulo. Com base na tabela 04, que representa uma realidade de consumo, tem-se que um dos grandes vilões do consumo de água residencial são os aparelhos de vasos sanitários. Uma grande problemática é que este ponto de consumo, bem como os demais que entram no somatório de 44% de uso de água não potável (nesta pesquisa) não necessitaria de água potável ou tratada oferecida pelas concessionárias e distribuidoras de água municipais ou mesmo por poços, para seu funcionamento. Esta seria uma premissa para tentar ao menos economizar água potável nesta aplicação, e sendo muito bem utilizada em um sistema de reaproveitamento de águas pluviais. As águas pluviais também podem ser usadas em sistemas preventivos contra incêndios em qualquer tipo de edificação.

23 23 Tabela 04 - Distribuição do consumo de água residencial em São Paulo. Fonte: USP (DECA, 2007). Ponto de Consumo Potável (%) Não-Potável (%) Vaso Sanitário - 29 Chuveiro 27 - Cozinha 16 - Máquina Lavar Roupa - 9 Lavatório 5 - Tanque - 6 Máquina Lavar Louça 8 - Total Nas indústrias a água da chuva pode ser utilizada para lavanderia industrial, lavagem de maquinários, resfriamento evaporativo, climatização interna, abastecimento de caldeiras, lava jatos de veículos e limpeza industrial, entre outros. Na agricultura, pode ser empregada principalmente na irrigação de plantações (MAY, 2004). 2.4 Métodos para Dimensionamento de Reservatórios Para a determinação do volume de um reservatório destinado a armazenamento das águas pluviais tendo como destino sua utilização residencial, são disponibilizadas metodologias de cálculo na NBR 15527/2007 (ABNT, 2007). O objetivo final destas metodologias é semelhante um ao outro, porém as variáveis e seus critérios de aplicação tornam os resultados apresentados diferenciados entre sí. Alguns conceitos utilizados proporcionam esta diferença no volume final, que por consequência impactam diretamente no custo do sistema e sua viabilidade ou inviabilidade. Conforme NBR 15527/2007 (ABNT, 2007), foram aplicados os métodos abaixo para o dimensionamento do volume mais adequado destinado ao armazenamento de águas pluviais para utilização não potável nas residências simuladas por este estudo:

24 24 Método da Simulação de Reservatório ou Método do Balanço Hídrico Seriado; Método Azevedo Neto; Método Prático Alemão; Método Prático Inglês; Método Prático Australiano. Método de Rippl. Além dos métodos dispostos pela NBR 15527/2007 (ABNT, 2007), foi estudado também o método utilizado por Guzzatti (2007). O mesmo é apresentado pela seca máxima anual, estimada utilizando a distribuição de probabilidades dos eventos extremos Método da Simulação do Reservatório ou Balanço Hídrico É realizado um balanço de massa pela contabilização de entradas e saídas do reservatório. Sem levar a evaporação da água da chuva em conta, aplica-se a equação da continuidade a um reservatório finito, em um determinado mês. Para a aplicação deste método, utiliza-se a equação 01, devendo o reservatório ser considerado cheio no início da contagem do tempo t, sendo os dados históricos representativos para as condições futuras: S (t) = Q + S (t) (t 1) D (t) [Eq. 01] Sendo: Q (t) = C x precipitação da chuva(t) x área de captação, sendo que 0 S (t) V S (t) = volume de água no reservatório no tempo t ; S (t 1) = volume de água no reservatório no tempo t - 1 ; Q (t) = volume de chuva no tempo t ; D (t) = demanda ou consumo no tempo t ; V = Volume do reservatório fixado; C = Coeficiente de escoamento superficial.

25 Método Azevedo Neto O método Azevedo Neto utiliza uma série de precipitação de forma anual relacionando com a quantidade de meses com pouca chuva ou seca. É definido como o volume ideal do reservatório, 4,2% do produto entre o volume de chuva coletada pelo telhado e o número de meses com pouca chuva ou seca. Desta forma, o método indica o volume de água aproveitável sendo o volume de água do reservatório, conforme equação 02: V = 0,042 * P * A * T Sendo que: P = Precipitação média anual (mm); N = Quantidade de meses de pouca chuva ou seca; A = Area de coleta em projeção (m²) V = Volume de água aproveitável e o volume de água do reservatório (L). [Eq. 02] Método Prático Alemão O método em questão obtém o volume de armazenamento de água através de uma forma empírica e também muito simples. O mesmo pode ser aplicado em séries, porém de forma anualizada. Assim ele toma como volume do reservatório o menor valor entre 6 % do volume anual de consumo ou 6% do volume anual de precipitação aproveitável, conforme equação 03. Dentro da precipitação aproveitável, é considerado apenas a área de coleta do telhado. Este se assemelha em partes com a forma também empírica inglesa, porém compara o volume de chuva aproveitável com a demanda anual. V adot = min( V;D) * 0,06 Sendo: V = volume aproveitável de água da chuva anual, expresso em litros (L); [Eq. 03]

26 26 D = demanda anual da água não potável, expresso em litros (L); V adot = volume de água do reservatório, expresso em litros (L) Método Prático Inglês Da mesma forma que o Método de Azevedo Neto e o Método Prático Alemão, o Método Prático Inglês de dimensionamento de reservatório pode ser empregado apenas séries anuais, trabalhando apenas com a precipitação média de chuva anual e com a área de captação da residência. Assim, a mesma despreza as variáveis como a demanda de água, sendo o volume obtido independente deste. Trata-se de uma metodologia muito simples que considera o volume ideal de armazenamento como sendo 5% do volume de água coletado no telhado. Desta forma, a equação do Método Prático Inglês utiliza a equação 04 para a obtenção do volume do reservatório. V = 0,05 * P * A [Eq. 04] Sendo: P = Valor numérico da precipitação média anual, expresso em milímetros (mm); A = Valor numérico da área de coleta em projeção, expresso em metros quadrados (m²) V = Valor numérico do volume de água aproveitável e o volume de água da cisterna, expresso em litros (L) Método Prático Australiano Neste método é necessário obter uma série histórica mensal de precipitação. Ao contrário dos métodos Inglês, Alemão e Azevedo Neto, este método se diferencia por produzir resultados mais criteriosos devido à realização de um pequeno balanço entre as variáveis utilizadas. Utiliza uma análise entre a chuva total do mês em conjunto com a demanda também mensal para equacionar o melhor volume do reservatório. Ocorre a correção do volume de água coletado pela área de captação,

27 27 e o volume final a obter-se é definido através de tentativas. Para a análise crítica deste volume, o método recomenda a verificação de valores de confiança para as quantidades de meses em que houve o atendimento deste volume para a demanda exigida. O volume de chuva utilizado na metodologia pode ser definido através da equação 05. Q = A * C * (P I) [Eq. 05] Sendo: C = Coeficiente de escoamento superficial, geralmente 0,80; P = Precipitação média mensal; I = Interceptação de água que molha as superfícies e perdas por evaporação, geralmente 2 mm; A = Área de coleta Q = Volume mensal produzido pela chuva O cálculo do volume do reservatório é realizado por tentativas pela equação 06, até que sejam utilizados valores otimizados de confiança e volume do reservatório. V (t) = V (t-1) + Q (t) D (t) Sendo que: Q (t) = Volume mensal produzido pela chuva no mês t ; V (t) = Volume de água que está no tanque no fim do mês t ; V (t-1) = Volume de água que está no tanque no início do mês t ; D (t) = Demanda mensal [Eq. 06] NOTA: Para o primeiro mês, considera-se o reservatório vazio: Quando (V (t-1) + Q (t) D) <0, então V (t) = 0 O volume do tanque escolhido será T.

28 28 Sendo: P r = Probabilidade de falha; N r C = 1 N ou C = 1 N r = Número de meses em que o reservatório não atendeu à demanda, quando V t = 0; N = Número de meses considerado, geralmente 12 meses; C = Confiança P r A Norma NBR 15527/2007 (ABNT, 2007) recomenda que os valores de confiança estejam entre 90% e 99% (10% a 1% de falhas) Método de Rippl Para Garcez (1974, apud PROSAB, 2006), este é um método de cálculo de volume de armazenamento necessário para garantir uma vazão regularizada constante durante o período mais crítico de estiagem observado. Baseado no sistema denominado diagrama de Rippl desenvolvido no final do século XIX, comumente é utilizado para o cálculo de reservatórios destinados ao abastecimento público, aproveitamento hidroelétrico, irrigação, controle de enchentes e regularização de cursos d água. Usando-se as séries históricas mensais ou diárias e a equação 07 a seguir, tem-se o volume do reservatório por este método. O volume útil do reservatório para uma determinada vazão regularizada é definida pela utilização do diagrama de massa, correspondendo ao volume de maior déficit existente na série histórica. S (t) = D (t) Q (t) [Eq. 07] Sendo: Q (t) = C x precipitação da chuva (t) x área de captação, sendo o resultado o volume de chuva aproveitável no tempo t ;

29 29 Somente para valores S (t) > 0; V = ΣS(t) S (t) = volume de água no reservatório no tempo t ; D (t) = demanda ou consumo no tempo t ; V = Volume do reservatório; C = Coeficiente de escoamento superficial.

30 30 3 MATERIAIS E MÉTODOS As características de precipitação deste estudo tem como base a série de dados da estação pluviométrica da Agência Nacional de Águas (ANA) localizada no município de Içara, SC. Esta estação pluviométrica, com código , está localizada nas coordenadas S e W, com dados diários do período de 1978 até Esta série apresenta resultados com forte proximidade das demais cidades da região sul de Santa Catarina. Para aplicação do estudo, serão consideradas neste trabalho faixas de demandas de quatro padrões de habitação definidas por residências com áreas de captação de água da chuva de: 50 m², 100 m², 200 m² e 400 m². A definição destes valores para os estudos de simulação teve como objetivo abranger um amplo leque de padrões residenciais para se obter o comportamento do modelo e sua aplicabilidade. Para cada situação de área, será gerada uma demanda diferente e será calculado o tamanho do reservatório pelos diferentes métodos. E pelo método da Simulação do Reservatório, também denominado Balanço Hídrico Seriado será avaliado o tamanho do reservatório para atendimento com as probabilidades de 50%, 60%, 70%, 80% e 90% do tempo. Os diversos métodos existentes a serem usados neste dimensionamento, apresentam suas variáveis como sendo genericamente comum entre eles, ou seja, de uma forma geral os métodos levam em consideração as mesmas variáveis, porém empregadas de formas diferentes em cada um. 3.1 Variáveis Área de contribuição Todo sistema de aproveitamento de águas pluviais inicia-se através da coleta da água para a utilização, e neste estudo aplicado a residências isto é obtido através da superfície da cobertura. Esta cobertura, ou telhado, funciona então como a área de captação ou área de coleta da água da chuva nele incidente, porém ao invés de ser descartada após passagem pelas usuais calhas em um sistema sem reaproveitamento, são destinadas a uma cisterna de armazenamento.

31 31 Como este trabalho não tem por objetivo focar um estudo de caso onde a área de captação deve ser determinada nas suas particularidades, ou seja, levada em consideração a inclinação de telhado e quantidade de beirais, que acrescentam algum valor de área no total, foram tomados como padrões de áreas de coleta a própria metragem quadrada das residências simuladas. Desta forma, sendo a aplicação conceitual do trabalho julgou-se esta a maneira mais coerente de envolver esta variável. Assim sendo, a área de coleta foi considerada equivalente às área das residências (50 m², 100 m², 200 m² e 400 m²), ou seja, não foram consideradas e analisada formas de projeto arquitetônico bem como projeto de telhado para as áreas adotadas, devido isto abranger uma gama imensurável de formas e projetos existentes. A influência da área de captação é muito significativa em um sistema de reaproveitamento de águas pluviais, sendo sua responsabilidade a de captar a água da chuva, o sistema pode se tornar inviável se esta área for pequena. Desta forma, quanto maior for a área de coleta, maior é a quantidade de água da chuva que se pode destinar ao armazenamento e aproveitamento. Porém, devem ser observados alguns pontos específicos neste item, a exemplo da qualidade da água que seguirá ao reservatório. Esta qualidade está ligada, além da composição química da água da chuva, também à limpeza da área de captação que receberá a chuva. Como os telhados precisam ficar expostos 100% do tempo para desempenhar sua função na edificação, os mesmos retém muita sujeira proveniente da poluição atmosférica, da poeira, da fumaça, dos intemperismos, folhas, limos, entre outros. Diante disto, para não ser levada toda esta sujeira recolhida no telhado para o reservatório e o consumo, é coerente uma limpeza mínima da superfície. O melhor método de limpeza é utilizar parte da própria chuva como meio de limpeza da superfície, resguardando que a água da lavagem seja descartada. Este é o conceito do primeiro fluxo de escoamento de águas pluviais, durante o qual a concentração de poluentes é substancialmente mais elevada que em períodos posteriores. (ALT, 2009) O descarte deste volume de água é realizado com a implantação de alguns sistemas simples e automáticos antes do reservatório. Observa-se então uma perda de volume de água inicial que poderia ser aproveitada, mas foi utilizada para melhorar a qualidade da água destinada ao

32 32 reservatório. Para a medida deste volume, diversos autores e bibliografias recomendam a aplicação de um coeficiente sobre o volume captado, para englobar esta água perdida. É denominado de coeficiente de escoamento superficial, que varia conforme o tipo de material que compõe a área de captação ou telhado. A tabela 05 mostra as faixas de coeficientes que podem ser utilizados confome o material. Tabela 05 - Coeficientes de escoamento superficial. Fonte: PROSAB, Material Coeficiente Fonte Telha Cerâmica Telha Metálica 0,80 a 0,90 Holkes e Fraiser apud Tomaz (2003 0,75 a 0,90 Van den Bossche apud Vaes e 0,56 Khan Berlamont apud (1999) May (2005) 0,70 a 0,90 Holkes e Fraiser apud Tomaz (2003 0,85 Khan apud May (2005) Telha Esmaltada 0,80 a 0,90 Van den Bossche apud Vaes e Berlamont (1999) Cobertura de PVC 0,94 Khan apud May (2005) Betume 0,80 a 0,95 Van den Bossche apud Vaes e Berlamont (1999) Telhados Verdes 0,27 Khan apud May (2005) Pavimentos 0,40 a 0,90 Wilken apud Tomaz (2003) A adoção do descarte inicial de um determinado volume de água através do sistema auxiliar de descarte é representada no cálculo do volume do reservatório através do coeficiente de escoamento superficial adotado conforme o tipo de cobertura. Porém, o mesmo passará a influenciar em todo o volume de chuva precipitado, havendo uma relação direta e proporcional. Quanto maior a altura pluviométrica, maior a dedução deste volume pelo coeficiente, e o inverso também é verdadeiro. Com esta metodologia, admite-se estar descartando um alto volume em chuvas de maior precipitação, sendo maior que o necessário para realizar a lavagem do telhado, e um volume inferior ao necessário quando em chuvas com menor precipitação. Na metodologia empregada neste trabalho, esta água de descarte inicial foi considerada como sendo um volume fixo, sendo uma parcela inalterada da altura pluviométrica. Com isto, os coeficientes de escoamentos superficiais foram substituídos pela altura pluviométrica de 1 mm (1 L/m²), pois julga-se este valor

33 33 suficiente para lavar toda a área de captação. Este indicador poderá ser alterado, pois foi previsto sua modificação na planilha de cálculo a critério do usuário Demanda A determinação do consumo de água não potável para uma edificação deve ser definida já na concepção do projeto. É de suma importância termos este dado aferido pois tem influência direta no volume a ser definido da cisterna. A área de contribuição também impacta diretamente, mas é uma informação já prédeterminada (fixa) que não possui variação dentro de cada projeto, ao contrário da demanda ou consumo. Os fins não-potáveis indicados para o emprego residencial da água reaproveitada da chuva concentram-se nos aparelhos de vasos sanitários, na rega de jardins e lavação de áreas impermeáveis. Importante frizar que nestes pontos a água não necessita de nenhum tratamento mais específico, podendo ser aproveitada para outros fins se proporcionar certo grau de tratamento (para uso em tanques e máquinas de lavar roupa, por exemplo). Desta forma, foram definidos os destinos acima citados como pontos de consumo de água não potável sem tratamento, para a aplicação da metodologia. As quantidades unitárias de água consumida em cada ponto foram listadas na tabela 06, sendo dados especificados em pesquisas práticas de outros autores bem como valores referentes em norma vigente. Tabela 06 - Consumo unitário por ponto. Fonte: PROSAB, Utilização Vaso Sanitário Rega de Jardim Lavagem de área impermeabilizada Consumo 10,0 L/descarga/5 descargas/hab/dia 2,0 L/m²/10 utilizações/mês 4,0 L/m²/8 utilizações/mês Além dos pontos de consumo de água, a população também age de forma significativa na demanda, pois é ela quem define a frequência e utilização da água

34 34 nos pontos de consumo. A população ou ocupação é definida pelo número de habitantes da residência, sendo quanto maior a população maior o consumo. A definição da ocupação neste trabalho foi estimada de forma que permitisse faixas de demanda de água, juntamente com as diversas áreas das residências simuladas. Assim sendo, o número de habitantes das residências foi seguido conforme norma vigente, sendo dois habitantes por dormitório. Já a quantidade de dormitórios foi simulada convencionalmente conforme a variação de área das residências. A influência da população na demanda de água não potável restringiuse apenas ao ponto de consumo do vaso sanitário, pois a rega de jardins e a lavagem de áreas impermeabilizadas independem da quantidade de habitantes na residência. A ocupação frente a área de cada residência simulada a ser utilizada nesta metodologia, segue na tabela 07. Tabela 07 - Ocupação x área da residência. Fonte: Autor. Área (m²) N Dormitórios Ocupação (hab) Com os dados de consumo unitário, frequência de uso por ponto de consumo e população das residências, foram calculadas as demandas totais por ponto de consumo, variando entre as áreas das residências simuladas, conforme tabela 08. Tabela 08 - Demanda de água não potável por ponto de consumo. Fonte: Autor. Ponto de Consumo Área 50 m² 100 m² 200 m² 400 m² Vaso Sanitário (L) Rega de Jardim (L) Lavagem Área Imperm. (L) Consumo Total (L) O consumo total por ponto, expresso na tabela 08, refere-se a faixas de consumo e não a valores absolutos. Os mesmos são devidos a simulação de duas

35 35 populações em cada área das residências. Desta forma foram adotados dois valores para emprego na metodologia, que são: o menor valor obtido no ponto de consumo vaso sanitário e o maior valor do consumo total. Estas referências foram necessárias para obter-se uma faixa de consumo final que empregasse como alternativas de consumo apenas o vaso sanitário e os três pontos englobados. Assim dá-se a opção ao usuário final de dimensionar o seu reservatório apenas para um ponto ou para todos. Foi usado o consumo do vaso sanitário porque o mesmo é um item indispensável em uma residência em comparação aos demais pontos analisados. A tabela 09 apresenta os menores e os maiores de consumos utilizados nas simulações (valores arredondados para números usuais). Tabela 09 - Valores máximos e mínimos de demanda empregada. Fonte: Autor. Área 50 m² 100 m² 200 m² 400 m² Menor Consumo (L) Maior Consumo (L) Precipitação A caracterização da chuva empregada neste estudo foi dada através do índice de precipitação, que pode ser expressa em altura pluviométrica. Esta medida é traduzida na espessura média da lâmina de água da chuva que recobre a superfície de um metro quadrado de área, sendo expressa na unidade de milímetros. As formas do tratamento dos dados de precipitação pluviométrica não são as mesmas em todos os métodos avaliados de dimensionsamento de reservatório. São utilizados desde valores diários até médias anuais, sendo que será perceptível a influência no resultado final levando em consideração a forma do uso da precipitação. O método da simulação do reservatório se sobressai perante aos demais pelo fato de realizar um tratamento minuncioso dos dados pluviométricos, como será visto ele funciona simulando o volume do reservatório para a precipitação diária de uma série geralmente extensa.

36 Calhas e coletores pluviais Fazem parte do sistema de coleta de águas pluviais para os fins apresentados, os itens relativos às calhas e coletores pluviais. As calhas tem a função de coletar a água recolhida pelo telhado da edificação e os coletores de enviar a mesma até o resevatório do sistema para sua armazenagem. As calhas, por sua vez, podem ser de vários materiais, como alumínio, PVC e concreto, sendo instaladas nas extremidades das águas dos telhados, que transmitem aos tubos coletores. Estes, geralmente são produzidos em material de PVC e enviam as águas até o reservatórios. Quanto ao quesito dimenionsamento, ambos devem ser avaliados e calculados de acordo com as demais variáveis do projeto. Isto torna-se fundamental para que não haja ineficiência ao sistema, pois são elementos que devem se adequar a estas variáveis de acordo com a demanda, tanto de precipitação, quanto de área de coleta. Dimensões inadequadas interferem no volume de água despendido ao reservatório, pois caso seja subdimenionado, por exemplo, ocorre o não aproveitamento de toda a água recebida pela área de captação. As calhas e os coletores são elementos que trabalham com o escoamento da água da chuva. Sendo assim, suas superfícies devem ser regulares mas não são totalmente isentas do atrito que proporcionam suas faces em contato com a água. Desta maneira, no quesito de dimensionamento pode ser considerado, assim como no telhado, um coeficiente de escoamento que varia para cada material componente das calhas e dos condutores, devido sua rugosidade natural. Neste trabalho, tanto as calhas como os coletores pluviais não serão objetos de estudo detalhado nesta metodologia, não fazem parte dos objetivos, pois parte-se do princípio que para a aplicação em um projeto todos os itens devem ser dimensionados para cada sistema Reservatórios e cisternas O reservatório, como é comumente chamado, é o elemento que acumula a água coletada pelo sistema de captação e é o responsável pela distribuição da água reaproveitada para os pontos de consumo.

37 37 Para Oliveira (2004), os reservatórios apresentam sua denominação conforme disposição no terreno. Podem ser dos tipos: Apoiado, quando o fundo permanece em contato com o solo; Enterrado, quando encontram-se totalmente abaixo no nível do terreno (também denominado de cisterna); Semi-Enterrado, quando está parcialmente abaixo do nível do terreno; e os Elevados, quando tem sua posição elevada do solo de modo que permaneçam com certa altura para que a água adquira pressão para alimentar o sistema. Os reservatórios podem ser construídos como parte da edificação, ou podem ser construídos como uma unidade separada, localizada a uma distância da mesma. As considerações de design variam de acordo com o tipo de tanque e outros fatores (RAINWATER HARVESTING AND UTILISATION, 2002 apud OLIVEIRA, 2004). Podem ser enumeradas algumas vantagens e desvantagens na utilização dos reservatórios e cisternas, conforme Alt (2009): Vantagens de uma Cisterna (enterrada): Não permanecem visíveis na edificação; Ocupam menor área útil no terreno; Garantem bom equilíbrio da temperatura da água; Desvantagem de uma Cisterna: Necessitam de um conjunto de moto-bomba para o consumo e limpeza. Vantagem de um Reservatório: A alimentação da água nos pontos de consumo é feita por gravidade. Desvantagens de um Reservatório: Necessitam de uma estrutura para sustentação; Ficam mais suscetíveis à variação de temperatura; Influenciam na arquitetura da edificação; Requerem maiores cuidados quando moldados in loco. Quanto a sua construção, existem dois tipos de reservatórios ou cisternas: os pré-fabricados e os moldados in loco. Os primeiros apresentam maiores facilidades

38 38 de instalação, praticidade, limpeza, entre outras, e podem ser construídos de: fibra de vidro, fibrocimento, lona/vinil/manta de PVC, polipropileno/polietileno, aço inox ou também de ferro. Os moldados no local de destino limitam-se aos em concreto armado ou alvenaria. A melhor forma de armazenamento é a cisterna subterrânea. Sem luz e calor, retarda-se a ação das bactérias (SILVA et al, 1988). A cisterna deve ser enterrada e qualquer material impermeável não tóxico pode ser usado: fibra de vidro, tanques de polietileno ou concreto. Independente do material utilizado na construção do tanque, os tanques devem ser feitos para serem enterrados. Cisternas grandes são normalmente feitas de concreto moldado no local. (OLIVEIRA, 2004) Geralmente, a capacidade do reservatório para armazenamento da água da chuva é um dos últimos itens a serem conhecidos em um projeto de reaproveitamento de água pluvial, pois dependerá da definição de todas as variáveis já citadas. Conhecida a necessidade de armazenamento da água, é possível a definição dos parâmetros, como local da instalação, tipo e material de fabricação e necessidade ou não de sistemas auxiliares. Geralmente, estes fatores já são préestabelecidos principalmente na fase do projeto arquitetônico e hidráulico da residência. Porém, um projeto de reaproveitamento tem seu objetivo 100% alcançado quando se possui a possibilidade de modificação destes parâmetros para melhor atender a necessidade do consumo, ou seja, adequando ao sistema de reaproveitamento desenvolvido. Previamentente à escolha do material adequado deve-se verificar a finalidade do uso da água. A durabilidade, a segurança e o baixo custo também são critérios que devem ser analisados para a escolha do tipo de reservatório a ser implantado no sistema de aproveitamento de água pluvial. (MARINOSKI, 2007) O local de instalação de cada tipo também tem sua parcela de influência no custo, pois os elevados necessitam de uma estrutura de sustentação e podem se tornar mais caros inicialmente, tomam área de ocupação e há a preocupação com a estética quando aparentes. As cisternas, subterrâneas, por sua vez, precisam de um

39 39 sistema para bombear a água até o reservatório superior ou ponto de consumo. (ALT, 2009). 3.2 Aplicação do Balanço Hídrico Seriado Para a aplicação do método do Balanço Hídrico na série de precipitação utilizada neste estudo, foi necessário o desenvolvimento de uma planilha de cálculo no Microsoft Excel (Figura 03) para possibilitar as simulações conforme os conceitos do método. Estes são baseados no histórico de chuvas diárias para estimar o volume mais adequado para o futuro. Assim, o balanço é realizado diariamente, ou seja, para cada registro de precipitação é realizado a simulação da variação do volume da cisterna. Desta forma, a metodologia não trabalha com dados isolados como médias. A partir destes conceitos, na metodologia é realizado um balanço entre a precipitação e a demanda, considerando a condição inicial do reservatório, para se concluir o volume ideal do reservatório que atenda as condições determinadas pelo usuário Sistemática da planilha de cálculo A lógica de cálculo da planilha possibilita a entrada dos seguintes dados variáveis definidos pelo usuário: a) Capacidade do reservatório (L), condição simulada. (Figura 03-Item A); b) Perda de altura pluviométrica (mm). (Figura 03-Item B); c) Porcentagem de ocupação inicial do reservatório (%).(Figura 03-Item C); d) Área de coleta (m²). (Figura 03-Item D); e) Demanda ou consumo mensal (L). (Figura 03-Item E). Conforme visto anteriormente, para a lavagem inicial da área de coleta empregada neste estudo foi utilizado o valor fixo de 1 mm (um milímetro) de altura pluviométrica a ser descontada da precipitação de chuva de cada dia, conforme equação 08. Desta forma não empregou-se o coeficiente de escoamento superficial, pelo motivo especificado. Ao mesmo tempo, foram também desconsideradas as