Uso de telhados verdes no controle quantitativo do escoamento superficial urbano

Transcrição

1 Uso de telhados verdes no controle quantitativo do escoamento superficial urbano Andréa Souza Castro 1 Joel Avruch Goldenfum 2 Resumo: Os telhados verdes são estruturas que se caracterizam pela aplicação de cobertura vegetal nas edifi cações, utilizando impermeabilização e drenagem adequadas. Os telhados verdes são estruturas que surgem como uma alternativa de cobertura capaz de proporcionar várias vantagens sobre as coberturas convencionais, dentre as principais podemos citar: diminuição da água de escoamento que seria direcionada ao pluvial, melhoria nas condições de conforto ambiental das edifi cações e visual paisagístico. O presente artigo procura avaliar o escoamento superfi cial proveniente de um experimento composto por quatro módulos. Neste estudo é feita uma comparação entre telhado e terraço com a utilização de cobertura vegetal e terraço e telhado convencional. Os resultados preliminares mostram que para os eventos estudados, os telhados verdes conseguiram reduzir o escoamento superfi cial em 50% para o telhado e em 100% no terraço, para as primeiras três horas após o início da chuva. Após seis horas após o início da chuva, a eliminação do escoamento superficial ocorre em 50% dos eventos no telhado e de 63% no terraço. Passando 12 horas do início da chuva, a cobertura verde continua retendo o escoamento superfi cial, sendo os valores de 25% no caso do telhado e 63% no terraço. Os dados preliminares indicam que os usos de coberturas vegetais podem proporcionar uma melhor distribuição do escoamento superficial, diminuição da velocidade de liberação do excesso de água e redução nos volumes escoados. Palavras-chave: Telhados verdes, Escoamento superfi cial. Abstract: Green roofs are structures that use plant coverage in buildings, including appropriate waterproofi ng and drainage devices. These structures that can provide several advantages compared to the conventional roofs, including: reduction of the water fl ow that would be directed to pluvial dranage systems; improvement of building environmental conditions; amelioration of visual landscape of the buildings. The present article seeks to assess the runoff from an experimental green roof structure comprised of 4 modules. A evaluation of inclined roofs and terraces, comparing the use of plant cover and conventional roof, is presented. Preliminary results show that, for the studied events, the green roofs were able retain up to 50 % of the runoff on the inclined roofs and 100% reduction on the terrace, for the fi rst 3 hours after the onset of rain. After 6 hours of the start of rainfall, 50% of runoff reduction was observed on the inclined roofs, and 63% in the terrace. After 12 hours of the rainfall start, green coverage continues retaining the runoff, with 25% reduction in the case of inclined roofs and 63% in terrace. Preliminary data indicates that the uses of green roofs can provide a better distribution of runoff, slow release of excess water and reduction in the disposed volumes. Key-words: Green roofs, Run-off 1 Aluna de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Professora da Faculdade Dom Bosco de Porto Alegre. 2 Professor Adjunto do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Project Manager - Greenhouse Gas (GHG) Research International Hydropower Association. 75

2 Introdução A urbanização que ocorre com o crescimento das cidades provoca uma diminuição na cobertura vegetal, modificando o ciclo hidrológico, através de alterações nas quantidades de água envolvidas nos processos constituintes do ciclo. O ambiente impermeabilizado passa a direcionar maior parcela de água pluvial a um escoamento superficial, dada a redução da interceptação vegetal, infi ltração e evapotranspiração pela retirada da sua proteção natural. A consequência deste processo é um aumento nos volumes escoados, ao mesmo tempo em que ocorre a redução do tempo de concentração, provocando assim hidrogramas de cheias cada vez mais críticos. Os telhados verdes são estruturas que se caracterizam pela aplicação de cobertura vegetal nas edificações. Consistem basicamente em uma camada da vegetação, uma camada de substrato (onde a água é retida e a vegetação é escorada) e uma camada de drenagem responsável pela retirada da água adicional. Os telhados verdes são estruturas que surgem como uma alternativa de cobertura capaz de proporcionar várias vantagens sobre as coberturas convencionais. Dentre as principais podemos citar: controle do escoamento superficial; melhoria nas condições de conforto ambiental das edificações e visual paisagístico; proteção do telhado contra a luz do solar e grandes flutuações de temperatura, melhorando assim a vida útil do telhado. Os efeitos dos telhados verdes no escoamento superficial consistem em: diminuição da água de escoamento que seria direcionada ao pluvial, já que o telhado verde é composto por plantas que têm a capacidade de reter água e atraso no pico do escoamento, pois ocorre absorção da água no telhado verde. Algumas desvantagens podem surgir com a adoção de coberturas verdes, tais como: custo de implantação, problemas de infi ltração e umidade (caso o sistema não seja aplicado de forma correta), aumento de carga na estrutura da edificação. Esse tipo de tecnologia está sendo usado em diversos países na Europa e Estados Unidos, onde é adotado não só em empreendimentos residenciais como também comerciais e industriais. Vários autores internacionais, Os telhados verdes são estruturas que se caracterizam pela aplicação de cobertura vegetal nas edificações. Mentens et al. (2006), Connelly e Liu (2005), Wan Woert et al. (2005), Villarreal (2005), Moran (2004); Simmons et al. (2008) citam o uso de telhados verdes no controle do escoamento superficial. Mas, pouco se conhece sobre o efeito dos telhados verdes sobre o escoamento pluvial no Brasil. Sendo assim, é de extrema importância o estudo para verifi car a aplicabilidade e os efeitos dessas estruturas no escoamento superficial urbano. Objetivos Este trabalho tem como objetivo verificar a eficiência do uso de telhados verdes no controle quantitativo do escoamento superfi cial urbano. Materiais e Métodos O módulo experimental telhado verde foi instalado no IPH/UFRGS. É um dispositivo composto por quatro módulos de 4 m 2 cada, sendo a estrutura cedido pela empresa Ecotelhado. A figura 1 mostra o módulo experimental. Figura 1 Módulo experimental instalado no IPH/UFRGS. Os módulos que constituem o experimento são: Módulo horizontal com telhado verde (terraço); Modulo horizontal sem telhado verde (terraço); Módulo com declividade de 15 o (graus) com presença de telhado verde (telhado); Módulo com declividade de 15 o (graus) sem presença de telhado verde (telhado). Neste experimento um módulo de telhado e um módulo de terraço são constituídos 76

3 por ecotelhas. Além das ecotelhas, o módulo do telhado verde é composto por duas membranas, uma para a retenção de água e nutrientes e outra antirraízes. A membrana para a retenção de raízes é colocada abaixo da membrana de retenção de água e nutrientes. A fi gura 2 mostra em detalhe a instalação da ecotelha, que se encontra entre a membrana para retenção de água e nutrientes e membrana para a retenção de água. vatório irá captar o excesso de água que não é retido pelas plantas. Já no lado que simula um telhado convencional a água captada será a que escorre diretamente para o sistema público de águas pluviais. Sendo assim será possível fazer o balaço hídrico para verifi car a efi cácia da estrutura na retenção de água da chuva. Uma visão geral do experimento é apresentada na fi gura 3. Figura 2 Instalação do telhado verde no IPH/UFRGS. A ecotelha é um conjunto formado por substrato rígido, um substrato leve e as plantas. Agrega nutrientes essenciais que proporcionam retenção de água e drenagem do excedente. Cada ecotelha possui 35 cm de largura, 68 cm de comprimento e 6 cm de espessura. A ecotelha já vem plantada e enraizada, pronta para o uso. Neste experimento, para cada módulo existem dois reservatórios de coleta de água com capacidade de 200 litros cada. O primeiro reservatório está ligado diretamente através de tubulações a um dreno. Este dreno está localizado na parte mais baixa do módulo, para que a água seja conduzida por gravidade ao primeiro reservatório. O segundo reservatório foi interligado ao primeiro, para servir como vertedouro no caso de o primeiro reservatório extravasar. Sensores de níveis ligados a um datalloger estão instalados no primeiro reservatório, permitindo assim que se monitore a quantidade de água da chuva que o telhado verde consegue segurar, além do tempo em que começa o escoamento do mesmo. No lado que possui a ecotelha, o reser- 77 Figura 3 Cobertura verde instalada no IPH/UFRGS Resultado e Discussão Análise quantitativa Para o presente estudo foram analisados o comportamento da estrutura para oito eventos de precipitação durante os meses de maio a setembro de Os dados sobre as características de cada evento, tempos para o início do escoamento e os volumes acumulados nos reservatórios para os quatro módulos experimentais são mostrados nas tabelas 1 e 2. Na análise dos eventos de chuva, o presente artigo avalia comportamento da cobertura vegetal até as primeiras 12 horas do início da chuva. Logo, a intensidade média da chuva apresentada na tabela 1 foi calculada também para as primeiras 12h de precipitação. A exceção ocorreu nos eventos dos dias 20/06/2008 e 01/08/2008 (duração da precipitação menor que 12h), nos quais a média apresentada na tabela 1 é a precipitação média do evento. As tabelas 3, 4 e 5 apresentam os valores dos volumes escoados na estrutura após 3, 6 e 12 horas do início da chuva.

4 Tabela 1 Características da precipitação para os seis eventos estudados. Início da Chuva Total Prec. (mm) Duração totak da chuva (h:mm:seg) 28/05/ h 66,33 34:55:00 07/06/ h55 71,58 55:00:00 20/06/2008 6h 11,87 05:30:00 20/07/2008 5h 21,44 48:00:00 27/07/2008 3h55 139,54 71:50:00 01/08/ h40 38,30 8:00:00 16/08/ h40 72,70 71:40:00 05/09/2008 4h 100,37 33:10:00 Tabela 2 Horário de início do escoamento superficial e tempo para início do escoamento do início da chuva para os 4 módulos experimentais. Início do escoam. c/ telhado verde Início do escoam. s/ telhado verde Terraço Telhado Terraço Telhado 28/05/ h40 (4:40:00) 14h40 (1:40:00) 13h10 (00:10:00) 13h10 (00:10:00) 07/06/2008 2h40 (12:45:00) 15h20 (0:25:00) 14:00:00 (00:05:00) 15h (01:05:00) 20/06/2008 S/ escoamento S/ escoamento 6h05 (0:05:00) 6h05 (0:05:00) 20/07/2008 S/ Escoamento 7h35 (2:35:00) 5h10 (0:10:00) 5h10 (0:15:00) 27/07/ h40 (12:05:00) 14h15 (10:40:00) 3h40 (0:05:00) 1h15 (4:50:00) 01/08/2008 1h30 (3:50:00) 0h25 (2:45:00) 21h50 (10min) 23h20 (1:40:00) 16/08/ /08/ h10 (25:30:00) 17/08/ h05 (25:25:00) 14h15 (00:35:00) 14h20 (00:40:00) 05/09/ h20 (11:20:00) 9h45 (5:45:00) 4h00 (0:00:00) 4h05 (0:05:00) Tabela 3 Volumes escoados nos 4 módulos experimentais após 3 horas do início da recipitação. Intensidade da chuva para as primeiras 3hs (mm/h) Dias antecedentes sem chuva Vol. Escoado (mm) após 3h (c/ cobertura verde) Vol. Escoado (mm) após 3h (s/cobertura verde) Terraço Telhado Terraço Telhado 28/05/2008 6, ,53 12,76 13,20 07/06/2008 2, ,58 6,26 3,11 20/06/2008 3, ,02 7,12 20/07/2008 1, ,16 3,31 3,90 27/07/2008 0, ,36 1,71 01/08/2008 5, ,29 12,07 11,51 16/08/2008 2, ,21 6,32 05/09/2008 1, ,02 3,13 78

5 Tabela 4 Volumes escoados nos 4 módulos experimentais após 6 horas do início da precipitação. Intensidade da chuva para as Dias antecedentes sem Vol. Escoado (mm) após 6h (c/ Vol. Escoado (mm) após 6h primeiras 6h cobertura verde) (s/cobertura verde) (mm/h) chuva Terraço Telhado Terraço Telhado 28/05/2008 7, ,75 21,09 28,03 28,69 07/06/2008 2,28 4 0, 7,39 10,52 10,69 20/06/ (evento já fi nalizado) 5 0 0, 8,50 8,56 20/07/2008 0, ,12 0 3,68 3,89 27/07/2008 0,38 4 0, 0 1,89 1,95 01/08/2008 6,09 1 7,.67 2,04 25,15 24,68 16/08/2008 1,39 3 0, 0, 6,27 6,26 05/09/2008 1, ,14 8,88 8,80 Tabela 5 Volumes escoados nos 4 módulos experimentais após 12 horas do início da precipitação Intensidade da chuva para as Dias antecedentes sem Vol. Escoado (mm) após 12h Vol. Escoado (mm) após 12h primeiras 12h (c/cobertura verde) (s/cobertura verde) (mm/h) chuva Terraço Telhado Terraço Telhado 28/05/2008 4, ,61 27,16 31,52 32,33 07/06/2008 1, ,79 11,36 10,74 20/06/ (evento já fi nalizado) ,68 8,62 20/07/2008 0, ,57 6,28 6,79 27/07/2008 2, ,91 19,33 20,26 01/08/ (evento já fi nalizado) 2 9,84 2,50 26,27 25,74 16/08/2008 0,74 3 0, 0 6,39 6,46 05/09/2008 3, ,21 16,66 27,34 27,64 Os resultados preliminares do módulo terraço com cobertura vegetal mostram que, para os oito eventos estudados não houve escoamento superfi cial nas primeiras três horas após o início da chuva. Já para o módulo telhado com cobertura vegetal, houve escoamento superfi cial nas primeiras três horas após o início da chuva somente para quatro eventos, sendo os volumes escoados bem menores em comparação com um telhado sem cobertura vegetal. Após seis horas do início da chuva ocorreu escoamento superfi cial no terraço 79 com cobertura vegetal somente para três eventos. Já para o telhado, houve escoamento superfi cial para quatro eventos após seis horas do início da chuva. Após 12 horas do início da chuva, o terraço com cobertura vegetal continua retendo todo o escoamento superfi cial em 63% dos eventos analisados. Já o telhado retém a totalidade do escoamento em 25% dos eventos. Os volumes escoados no módulo telhado com cobertura vegetal são ligeiramente maiores do que no terraço com cobertura vegetal em 63% dos eventos que

6 geram escoamento após 12hs do início da chuva. Os resultados preliminares mostram que, para os eventos estudados, os telhados e terraços com cobertura vegetal têm uma redução no escoamento superfi cial de até 50 e 100% respectivamente nas primeiras três horas após o início da chuva. Já seis horas após o início da chuva, a redução no escoamento superfi cial diminui, com uma taxa de 63% a 100% no terraço e de 50 a 100% no telhado, dependo do evento de chuva. Após 12 horas após o início da chuva, houve redução da capacidade de retenção do escoamento, para o telhado e terraço. Mesmo assim, a cobertura verde retém a totalidade do escoamento superfi cial em 25% dos eventos analisados no telhado e em 63% no terraço. Para os oitos eventos analisados, os dias antecedentes sem chuva parecem não contribuir pra a diminuição dos volumes escoados. Os eventos que possuem os maiores números de dias antecedentes sem chuva não correspondem aos menores volumes de escoamento superfi cial. Nas primeiras três horas do início da chuva, a intensidade média parece não ter infl uencia nos volumes escoados superfi cialmente. É importante considerar que para os eventos analisados a intensidade média de chuva (3h do início da chuva) foi menor do que 7 mm/h. A infl uência da intensidade média da chuva passa a ser percebida a partir das 12h do início da chuva, quando as maiores intensidades correspondem aos maiores volumes acumulados. Conclusões Os dados indicam que terraços e telhados com cobertura vegetal fazem um controle adequado do volume de escoamento superfi cial, mesmo passando 12 horas do início da chuva. Os resultados sugerem um melhor desempenho hidrológico dos terraços em relação aos telhados na maioria dos eventos estudados. Isso indica que a inclinação do telhado pode ter infl uência nos volumes escoados. Os dados preliminares indicam que o uso Os dados demonstram uma redução no volume de água escoado, já que o telhado verde é composto por plantas que têm a capacidade de reter água. 80 de coberturas vegetais pode proporcionar uma melhor distribuição do escoamento superfi cial ao longo do tempo através da diminuição da velocidade de liberação do excesso de água retido nos poros do substrato. Além disso, os dados demonstram uma redução no volume de água escoado, já que o telhado verde é composto por plantas que têm a capacidade de reter água. Para os oito eventos analisados, a intensidade da chuva parece ter maior infl uência nos volumes de escoamento superfi cial se comparados com os dias antecedentes sem chuva. Agradecimentos Ao CNPq que concedeu fi nanciamento da pesquisa, bolsa de doutorado à primeira autora (Andréa Souza Castro) e bolsa de produtividade em pesquisa para o segundo autor (Joel Avruch Goldenfum). Daiane M. Lino contribuiu para o trabalho e recebeu bolsa de iniciação científi ca da FAPERGS. Referências CONNELLY, M.; LIU, K Green roof research in british Columbia - an overview. In: Greening rooftops for sustainable communities, 2005, Washington, dc. MENTENS, J.; RAES, D.; HERMY, M. (2006). Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21 st century? Landscape and Urban Planning. Amsterdam, v. 27, p MORAN, Amy Christine. (2004). A North Carolina field study to evaluate greenroof runoff quantity, runoff quality, and plant growth. 300f. Dissertação (Mestrado em Biological Agricultural Engineering) Graduate Faculty of North Carolina State University, Raleigh. SIMMONS, Mark T.; GARDINER, Brian; WINDHAGER, Steve; TINSLEY, Jeannine (2008). Green roofs are not created equal: the hydrologic and thermal performance of six different extensive green roofs and refl ective and non-refl ective roofs in a subtropical climate. Urban Ecosystems. v.11, p

7 VAN WOERT, N. D.; ROWE, D. B.; ANDRESEN, J. A.; RUGH, C. L.; FERNANDEZ, R. T.; XIAO, L Green Roof Stormwater Retention: Effects of Roof Surface, Slope, and Media Depth. Journal of Environmental Quality. v. 34, p VILLARREAL, E. L.; BENGTSSON, L Response of a sedum greenroof to individual rain events. Ecological Engineering. n. 25, p