Retenção e Detenção. Gestão de Águas Pluviais Urbanas RETENÇÃO E DETENÇÃO. Drenagem Urbana. Armazenamento e Infiltração Naturais. Objetivos da Aula:

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1 Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento Retenção de Engenharia Hidráulica e Detenção e Ambiental PHA 2537 Água em Ambientes Urbanos Objetivos da Aula: Retenção e Detenção 1. Apresentar os conceitos de armazenamentos natural e artificial nas bacias hidrográficas. 2. Apresentar algumas medidas de controle na fonte. Gestão de Águas Pluviais Urbanas RETENÇÃO E DETENÇÃO 3. Discutir a Lei das Piscininhas de São Paulo. 4. Apresentar os reservatórios de retenção. Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Prof. Dr. José Rodolfo Scarati Martins Profª Drª Monica Ferreira do Amaral Porto Profª Drª Ana Paula Zubiaurre Brite Apresentar tipos de reservatórios de detenção. 6. Apresentar medidas de armazenamento por condução. 7. Discutir os benefícios e eficiência do armazenamento de cheias. Drenagem Urbana Conjunto de obras e medidas cujos principais objetivos são: Minimizar prejuízos por inundações em áreas urbanas Diminuir riscos a que as propriedades estão sujeitas Possibilitar desenvolvimento urbano harmônico e articulado Armazenamento e Infiltração Naturais Água retida pela vegetação Água infiltrada e retida no solo Água retida em depressões do terreno Água retida em grandes depressões e lagos Água armazenada dinamicamente nos rios e várzeas 1

2 Consequências da Urbanização Sobre a Ocupação do Solo Valorização da terra pressiona a ocupação de áreas impróprias Loteamentos inadequados (super-ocupação) Invasões, favelas Poucas áreas verdes Ocupação dos leito maior e às vezes do leito menor dos rios Sobre o Regime Hidrológico Depois da Urb. AI= 50% Tc= 3h Antes da Urb. AI= 0% Tc= 5h AD= 100 km 2 P= 65 mm Bacia Antes e Depois da Urbanização Perda do Armazenamento e da Infiltração Naturais Medidas Estruturais e Não-Estruturais de Controle de Inundações Estruturais: Tipos: Obras de afastamento de cheias A Inundação do Anhangabaú em 1929 A Inundação do Túnel do Anhangabaú (Centro de São Paulo) em Micro e Macro-drenagem Reversão de Bacias Controle no lote (piscininhas, pavimentos permeáveis...) Diques de contenção Obras de contenção de cheias Soleiras Reservatórios Polderes Foco da aula de hoje 2

3 Armazenamento Artificial Objetivo de repor ou aumentar o armazenamento perdido pela alteração do uso e ocupação do solo (urbanização ou agricultura) para retardar a taxa de resposta do escoamento superficial das áreas pavimentadas e do sistema de drenagem artificial (tubos, canais). Controle na Fonte x Controle a Jusante Fonte: Armazenamento próximo à formação do escoamento direto: Reservatórios pequenos; Permitem utilização mais eficiente do sistema de drenagem a jusante. Seu efeito é localizado. Não beneficia uma grande área. Controle na Fonte x Controle a Jusante Categorias de Armazenamentos na Fonte: Disposição local: Infiltração filtro de areia, pavimento poroso, vala de infiltração Controle na Fonte: Pavimento Permeável Controle na entrada armazenamento em telhados, canteiros de infiltração áreas de estacionamento e jardins Detenção local: drenos, lagoas secas ou molhadas, 3

4 Controle na Fonte: Pavimento Concreto Permeável Controle na Fonte: Trincheiras - Filtro de Areia Controle na Fonte: Calçadas para Infiltração Controle na Fonte: Telhado Verde Fonte: Matos. A. E., Silv a, A. C. S., Bunn, J., Claro, A. -Drenagem Trabalho da disciplina Tecnologia de Edif icação I, Curso de Arquitetura e Urbanismo UFSC,

5 Controle na Fonte: Valas de Infiltração Controle na Fonte: Reservatórios nos Lotes Fonte: Tucci, Carlos E.M., Elementos para Controle da Drenagem Urbana Princípios Fundamentais do Controle no Lote Princípios Fundamentais do Controle no Lote O proprietário não tem o direito de provocar inundações para jusante e passar os custos de controle para a sociedade. As vazões descarregadas não podem ser superiores à condição de pré desenvolvimento. As ações e custos para manter as condições pré desenvolvimento são de responsabilidade do proprietário. Fonte: Tucci, Carlos E.M., Elementos para Controle da Drenagem Urbana 5

6 Princípios Fundamentais do Controle no Lote Princípios Fundamentais do Controle no Lote Hidrograma pós desenvolvimento Hidrograma pré desenvolvimento Ação do proprietário - A Lei Controle na Fonte: Lei das Piscinhas Exemplo da Prefeitura de São Paulo A PMSP elaborou a lei , sancionada dia 04 de janeiro de 2002; regulamentada pelo Decreto nº em 15/03/2002 também conhecida como a lei das piscininhas obriga a execução de reservatório para as águas coletadas por coberturas e pavimentos nos lotes, edificados ou não, que tenham área impermeabilizada superior a 500 m² Controle na Fonte: Lei das Piscinhas Exemplo da Prefeitura de São Paulo - Dimensionamento: O volume de armazenamento do reservatório obedece à equação: V = 0,15 Ai IP t Onde: V = volume do reservatório (m³), Ai = área impermeabilizada (m²), IP = índice pluviométrico igual a 0,06 m/h t = tempo de duração da chuva igual a uma hora. Os estacionamentos em terrenos autorizados, existentes e futuros, deverão ter 30% (trinta por cento) de sua área com piso drenante ou com área naturalmente permeável. 6

7 Controle na Fonte: Lei das Piscinhas Exemplo da Prefeitura de São Paulo - Destino da água armazenada: A água contida pelo reservatório deverá preferencialmente infiltrar-se no solo, podendo ser despejada na rede pública de drenagem após uma hora de chuva ou ser conduzida para outro reservatório para ser utilizada para finalidades não potáveis. Controle na Fonte: Lei das Piscinhas - Benefícios: Exemplo da Prefeitura de São Paulo A Lei tem função tripla: aumentar a área permeável do solo, diminuir o risco de inundações e reservar água para fins não potáveis nos empreendimentos; A lei paulistana apesar de não ser perfeita já é um avanço na legislação pois leva em consideração a possibilidade de uso da água de drenagem. Controle na Fonte: Lei das Piscinhas - Perspectivas: Exemplo da Prefeitura de São Paulo Controle na Fonte: Lei das Piscinhas - Críticas: Exemplo da Prefeitura de São Paulo Toda retenção é válida, pois descongestiona os dutos da cidade, e ajuda a respeitar as vazões de restrição; Com o aumento do número de edifícios com reservatórios, os resultados benéficos da retenção tendem a ser mais significativos; Caso o destino da água seja a infiltração no solo, haverá recarga de aquíferos; Possibilidade de proliferação de animais transmissores de doenças, se não houver regulamentação de mecanismos que impeçam acesso de animas e facilitem a manutenção e limpeza do reservatório; O índice pluviométrico (60 mm/h) usado na Lei para o cálculo do volume do reservatório é o de uma chuva fortíssima (TR = 10 anos); Lei não dá diretrizes de execução e mecanismos de fiscalização do escoamento adequado da água; 7

8 Controle na Fonte: Lei das Piscinhas - CRÍTICAS: Exemplo da Prefeitura de São Paulo Se a rotina de bombeamento não for regulamentada, já que em geral, está a cargo dos zeladores, as bombas podem ser ligadas aleatoriamente, lançando água quando ainda estiver chovendo em áreas críticas; Aumento de custos à construção civil (há controvérsias!!); Aumento no consumo de energia. Controle na Fonte x Controle a Jusante JUSANTE Redução nos custos de construção, operação e manutenção (efeito de escala) Dificuldade em encontrar local adequado Grandes barragens ou reservatórios podem encontrar oposição pública Tipos de armazenamento a Jusante RETENÇÃO: Tipos de Armazenamento a Jusante Retenção Detenção Condução O escoamento de um dado evento de cheia é armazenado e NÃO É DESCARREGADO no sistema de drenagem a jusante durante o evento. A água armazenada pode ser utilizada para irrigação, manutenção de vazão mínima ou para ser evaporada ou infiltrada no solo. O reservatório é permanentemente preenchido com água (reservatório molhado ) 8

9 Reservatório de Retenção Reservatório de Retenção Lago Permanente - Uso Recreacional Lago Permanente - Uso Paisagístico e Recreacional Reservatório de Retenção Reservatório de Retenção Lago do Ibirapuera São Paulo Lago Permanente - Uso Paisagístico e Recreacional Lago Permanente e Rio com calha variável - Uso para lazer Parque Campolim Sorocaba, SP, vista de montante da barragem 9

10 Reservatório de Retenção Reservatório de Retenção in stream Reservatório Barragem Lago Permanente e Rio com calha variável - Uso para lazer Parque Campolim Sorocaba, SP, vista de jusante da barragem Lagoas de Retenção em Série Tipos de armazenamento a Jusante Retenção Detenção Condução 10

11 Tipos de Armazenamento a Jusante DETENÇÃO: Tipos de Armazenamento a Jusante DETENÇÃO: O armazenamento é de curto prazo, com atenuação do pico de vazão de saída a um valor inferior ao de entrada. O armazenamento é de curto prazo, com atenuação do pico de vazão de saída a um valor inferior ao de entrada. O volume de água descarregada é igual ao afluente, apenas distribuído em um tempo maior. O volume de água descarregada é igual ao afluente, apenas distribuído em um tempo maior. Usualmente, esvaziam em menos de um dia. Usualmente, esvaziam em menos de um dia. A área é seca e pode ser utilizada para fins recreacionais. A área é seca e pode ser utilizada para fins recreacionais. Tipos de Reservatório de Detenção Reservatório de Detenção in stream ao Ar Livre Reservatórios in Stream Reservatórios off Stream Reservatórios subterrâneos Reservatórios ao ar livre Polderes Vazão amortecida Amortecimento Rio 11

12 Reservatório de Detenção Uso para Lazer Reservatório de Detenção in stream subterrâneo Bacia de Detenção Praça Júlio Andreatta, Porto Alegre RS Piscinão do Pacaembu Reservatório de Detenção in stream Bacias de Detenção Subterrâneas Durante a construção Bacia de detenção de Tai Tai Hang Tung Capacidade de m 3 - Hong Kong Piscinão do Pacaembu Após a construção Fonte: Chu, H. C. K. Flood Prev ention and Drainage Modelling in Hong Kong, Drainage Serv ices Department, Hong Kong, Sept

13 Bacias de Detenção Subterrâneas Bacias de Detenção Subterrâneas Bacia de detenção de Tai Tai Hang Tung (vista interna) - Hong Kong Bacia de detenção de Tai Tai Hang Tung em construção (2005) - Hong Kong Fonte: Chu, H. C. K. Flood Prev ention and Drainage Modelling in Hong Kong, Drainage Serv ices Department, Hong Kong, Sept Fonte: Chu, H. C. K. Flood Prev ention and Drainage Modelling in Hong Kong, Drainage Serv ices Department, Hong Kong, Sept Reservatório de Detenção in stream Volume Armazenado Reservatório de Detenção off stream Rio 13

14 Reservatório de Detenção off stream Reservatório de Detenção off stream Reservatório de Detenção off stream Entrada da água Vazões (m3/s) Bacia de Detenção off stream Volume Armazenado Afluente Efluente ( In Line ) Efluente ( Off Line ) Tempo ( horas) 14

15 Criação de Polderes Criação de Polderes Reservatório de Detenção Estação Elevatória Canal de Drenagem Barragem Descarga da Elevatória Fonte: Chu, H. C. K. Flood Prev ention and Drainage Modelling in Hong Kong, Drainage Serv ices Department, Hong Kong, Sept Esquema de bombeamento em Kiiu Tau Waii Hong Kong Fonte: Chu, H. C. K. Flood Prevention and Drainage Modelling in Hong Kong, Drainage Services Department, Hong Kong, Sept Opções de Estruturas de Entrada e Saída Entrada por Gravidade: Quando a área do reservatório está abaixo da cota da água a ser armazenada. Entrada por Bombeamento: Este tipo só é vantajoso quando há um local privilegiado para o reservatório. Opções de Estruturas de Entrada e Saída Saída por Gravidade: Condição típica de reservatórios criados com barramentos nos cursos d água Saída por Bombeamento: Quando a escavação é feita abaixo do nível do curso d água. Exige custo de energia e cuidados na operação. 15

16 Detalhe de Entrada com Grade Detalhe de Entrada com Grade Vertedor de Emergência Manutenção das Bacias de Detenção Reservatório de Detenção de Concreto - Enterrado 16

17 Sistema de Lavagem de Reservatório de Detenção Escada de Acesso para Manutenção Problema : Acúmulo de Resíduos Problema : Acúmulo de Resíduos 17

18 Problema : Acúmulo de Resíduos Tipos de Armazenamento a Jusante Retenção Detenção Condução Tipos de Armazenamento a Jusante Armazenamento por Condução Rio com Calhas Variáveis CONDUÇÃO: O armazenamento é feito de forma transitória, quando os canais, várzeas e drenos conduzem o escoamento superficial. Construção de canais de baixa velocidade, com seções transversais largas ajudam nesse armazenamento. 18

19 Armazenamento por Condução Soleiras Rio Aricanduva São Paulo Requisitos Gerais As obras devem devem ser avaliadas em relação aos eventos normais (T = 5 a 10 anos) e aos eventos menos frequentes (T = 100 anos), para provar que não pioram as condições de inundação a jusante. As obras devem ser coordenadas, considerando os cenários futuros de desenvolvimento e uso do solo. As obras devem ser projetadas com base na topografia, solo e geologia do local. Requisitos Gerais As obras devem ser projetadas, considerando toda a bacia hidrográfica e não só a porção imediatamente a jusante. Cuidado com o SINCRONISMO dos hidrogramas. As obras devem ser projetadas para reduzir o máximo possível as necessidades de operação e manutenção. As várzeas a jusante não devem ser estimuladas a serem ocupadas nas áreas anteriormente inundáveis. Benefícios do Armazenamento de Cheias Reduz os problemas de enchentes localizadas. Reduz os custos das galerias de drenagem. Melhora a qualidade da água, desde que haja manutenção. Minora a erosão em pequenos tributários pela redução das vazões. Reduz assoreamentos a jusante Cria oportunidade de reúso e recarga de aquíferos. Permite concentrar resíduos sólidos transportados pelos rios, para sua remoção Permite a criação de áreas de lazer 19

20 Eficiência dos Reservatórios de Retenção e Detenção Medida efetiva para pequenos cursos d água. Efeito maior junto ao reservatório; diminui para jusante. Pouco efetiva em rios grandes. Eficiência maior quando constituem medida preventiva. Eficiência dos Reservatórios de Retenção e de Detenção MEDIDA PREVENTIVA: Menores custos Legalidade pacífica (não agrava situação pré-existente) Custos por conta do empreendedor Desencoraja desenvolvimentos indevidos MEDIDA CORRETIVA: Eficiência dos Reservatórios de Retenção e de Detenção Maiores custos Legalidade pode ser contestada Necessidade de novas leis Desgastes políticos F I M Desapropriações mais caras e complexas Custos por conta do governo 20

21 Cálculo do Reservatório Exemplo de Resultado Dados de entrada: Hidrograma afluente ao reservatório Curva cota-volume do reservatório Equações de descargas dos órgãos de extravasão da barragem Vazão (m3/s) Hidrogramas :00 15:00 30:00 50:00 65:00 85:00 105:00 125:00 145:00 165:00 185:00 205:00 225:00 Intervalo Afluente Efluente Hidráulica da Estrutura de Controle Coeficientes de Descarga Q = C d * A * 2 * g * ( h a) Q = vazão Cd= coeficiente de descarga A = área do orifício g =aceleração da gravidade h = profundidade da água junto à saída a = metade da altura do orifício Válida para h > 4a 21

22 Tempo de Esvaziamento h2 A t = C d 1. A.. 2g h 1 R. h dh Quando a área do reservatório A R é constante : Nomograma para orifício retangular com h < 4a t = C d 2. A. A. R 2g.( h 1 h 2 ) Curvas de Descarga de Vertedores Nomograma para orifício circular com h < 4a 3/ 2 Q = CLH = 2 2 Q 2gcL H1 H ( π R ) Q = C 2 H 0 S Q = CWD 2gH Vertedor de soleira livre Vertedor com comporta Vertedor Tulipa Bueiro 22

23 Curvas de Descarga de Vertedores Onde: Q = vazão de descarga; C = coeficiente de descarga; L = largura da crista do vertedor; H 1 = carga total referente à crista do vertedor; H 2 = carga total referente ao topo da abertura; C 0 = coeficiente que relaciona H 1 e R S ; R S = raio de abertura do vertedor; D = altura da abertura; W = largura da embocadura. Algoritmo de Cálculo Equação da continuidade Q e1 Q + Q 2 e1 e2 + Q Qs 1 t + V1 2 e2 V1 + Q t 2 s1 t = V Q s2 2 Qs + 2 V = t t Reordenando-se os termos da equação, obtém-se: Algoritmo de Cálculo Int Q e1 Q e2 V 1/( t/2) Q s1 NA 2 Q s2 V 2/( t/2) NA 2calc Com o nível inicial NA 1, calculam-se V 1 e Q s1 ; 2. Adota-se uma primeira estimativa para NA 2 = NA 1 ; 3. Calcula-se Q e2 em função de NA 2 estimado; Somam-se os termos do lado esquerdo da equação e obtém-se V 2 calculado; 5. Com a curva cota-volume obtém-se NA 2 calculado; Algoritmo de Cálculo Int Q e1 Q e2 V 1 /( t/2) Q s1 NA 2 Q s2 V 2 /( t/2) NA 2calc Se a diferença entre NA 2 calculado e NA 2 estimado for grande, adota-se um novo NA 2 estimado como sendo igual ao NA 2 calculado ; 7. Se a diferença entre NA 2 calculado e NA 2 estimado for pequena, encerra-se a iteração do período. 8. Atualizam-se os valores iniciais do período seguinte com os valores do final deese período ; 9. Volta-se ao passo 1. 23

24 Referências Urbonas, Bem & Stahre, Peter - Stormwater - Best management practices and detention for water quality, drainage, and CSO management - PTR Prentice Hall, Inc., 1993, 449 pg. Sheaffer, John R. et al. - Urban Storm Drainage Management - Marcel Dekker, Inc , 271 pg. Tucci, C. E. et al. - Hidrologia : Ciência e Aplicação - Ed. da Universidade - UFRGS/ABRH,2a ed. 1997, 943 pg. O Metropolitan Area Outer Underground Discharge Channel (também chamado de Projeto G-Cans, (em japonês 首都圏外郭放水路 Shutoken Gaikaku Housui Ro), é uma enorme estrutura subterrânea localizada principalmente em Saitama-ken. Foi construída para prevenir enchentes em Tóquio, durante eventos chuvosos e de tufões. Tucci, C. E. - Drenagem Urbana, - Ed. da Universidade - UFRGS/ABRH,1a ed. 1995, 428 pg. /36-tokyo-underground-storm-drain O Conselho Central de Gerenciamento de Desastres de Tóquio projetou o sistema para uma chuva de 550mm em três dias sobre Tóquio (T=200 anos). Sem o sistema, para esse evento, o Rio Arakawa extravasaria, com a possível inundação de 97 estações do metrô. /36-tokyo-underground-storm-drain O projeto iniciou-se em Consiste em 5 Silos de concreto, localizados próximos dos 4 principais rios, conectados por túneis e um grande reservatório (chamado de A Catedral ou O Grande Templo ), conectado a uma Estação Elevatória que recalca para o Rio Edogawa. ww.ipmotor2011.com/g-cans.html 24

25 A construção terminou em O custo total da obra ficou por volta de US$ 2 bilhões. ww.ktr.mlit.go.jp/edogaw a/project/gaikaku/outline/index.html Topo de um dos Silos ikiarquitectura.com/index.php/file:g-cans_project_silo_a_nivel_suelo.jpg Interior de um dos Silos /36-tokyo-underground-storm-drain Cada silo possui 32m de diâmetro e 65 m de altura. O volume armazenado nos 5 silos é de m 3. /36-tokyo-underground-storm-drain 25

26 Detalhe de entrada a um silo,que recebe água de duas galerias. A construção de uma guia helicoidal evita o choque dos dois fluxos de entrada. o-storm-water-discharge-channel Detalhe de um poço de acesso para a obra. Destaca- -se a dimensão do caminhão perante a obra. ater-discharge-channel/ Detalhe de um poço de acesso para a obra. ater-discharge-channel/ A construção do sistema iniciou-se em 1992 e terminou em O custo foi por volta de 2 bilhões de dólares. /36-tokyo-underground-storm-drain 26

27 O túnel interliga Showa em Tokyo e Kasukabe em Saitama. /36-tokyo-underground-storm-drain O volume total dos túneis é de m 3. ater-discharge-channel/ Os túneis foram construídos 50m abaixo da superfície. ww.secret-japan.com/forum/g-cans-project-(saitama-ken)-t723.html Os túneis, com 10 m de diâmetro totalizam 6,3km de extensão. /36-tokyo-underground-storm-drain 27

28 Túnel de acesso aos túneis principais. ater-discharge-channel/ ater-discharge-channel/ ater-discharge-channel/ O grande reservatório ( A Catedral ou O Grande Templo ) possui 25.4 m de altura, 177 m de comprimento e 78 m de largura (com 59 pilares). Possui um volume de m 3. ater-discharge-channel/ 28

29 O grande reservatório está conectado com 78 bombas (10Mw) que podem recalcar até 200m 3 /s no Rio Edogawa. ww.secretjapan.com/forum/g-cans-project-(saitama-ken)-t723.html Sala do Centro de Controle do Sistema. ikipedia.org/w iki/metropolitan_area_outer_underground_discharge_channel Vídeo Promocional Fontes: ater-discharge-channel/

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