Igor Matheus Benites Universidade Estadual de Maringá UEM Umuarama, Brasil Alexandre Botari. Marcus Nóbrega Gomes Júnior

Transcrição

1 Análise do Sistema de Drenagem Urbana: Estudo de caso das Galerias de Águas Pluviais da intersecção da Rua Governador Nei Braga com a Avenida Brasil na cidade de Umuarama PR Analysis of the Urban Drainage System: Case Study of the Rainwater Galleries at the intersection of Governador Nei Braga and Brasil Avenue in the city of Umuarama PR Igor Matheus Benites l Alexandre Botari Leandro Vanalli Abstract In the central region of Umuarama city there was a great urban development and significant changes in the use and occupation of the soil, which generated an increase in the waterproofing rate. Such changes have overwhelmed the rainwater drainage system, especially at the intersection of Avenida Brasil and Rua Governador Nei Braga, occasionally a flow surplus. As this region is economically important, the constant flooding causes several problems, a common scenario in medium and large cities in Brazil. The present work proposes a study of the microdrainage network, through the planialtimetric survey and the hydrographic study of the region, as well as the hydraulic conditions of microdrainage and the preexisting galleries for the evaluation of the capacity of flow of the system in different pluviometric scenarios. The efficiency of the network will be evaluated and technical and economically feasible solution proposals will be discussed and presented. Keywords Urbam drainage; Waterproofing rate; Detention ponds. INTRODUÇÃO O desenvolvimento urbano é um fator preponderante na alteração dos componentes do ciclo hidrológico natural. O sistema de microdrenagem da intersecção da Rua Governador Nei Braga com a Avenida Brasil, por ser projetado no início Marcus Nóbrega Gomes Júnior Janaina Conversani Botari do desenvolvimento da cidade de Umuarama, já não atinge a sua eficiência de projeto. Isto deve-se ao fato da região ter se desenvolvido largamente neste período, modificando as características utilizadas no projeto inicial. Como o sistema não possui a eficácia esperada, alagamentos são recorrentes e isso gera grandes impactos pois a região é importante comercialmente e economicamente. No Brasil a vazão de projeto, na maioria das vezes, é determinada através do método racional pela facilidade de aplicação e obtenção de resultados razoáveis. Apesar de ser largamente utilizado, esse método apresenta diversas limitações, como por exemplo a consideração de distribuição uniforme da precipitação no tempo e no espaço, o que pode ocasionar falhas no dimensionamento dos sistemas de drenagem. Devido às limitações, as mais diversas bibliografias recomendam um limite para a área da bacia em estudo, a prefeitura de Porto Alegre, por exemplo, adota 2 km² como área limite para a utilização do método, já o Manual de Drenagem do DNIT, 5km². Na cidade de Umuarama-PR não existe um plano diretor de drenagem urbana que expõe os critérios desejados no dimensionamento das galerias de drenagem. O método tem como princípio que a vazão de pico ocorre quando toda a bacia contribui na seção em estudo (exutório) o que para uma situação crítica conduz a conclusão que a duração da precipitação de projeto deve ser igual ao tempo de concentração da bacia. Esse tempo depende de inúmeras grandezas inclusive de configurações geométricas da bacia hidrográfica. O fator de forma e a densidade de drenagem são alguns indicativos do comportamento e reação dos cursos DOI /SHEWC

2 hídricos naturais perante o escoamento superficial. As perdas são estimadas por um único coeficiente (C). Como citado acima a distribuição temporal das vazões não são consideradas, o que implica invalidade do método para o dimensionamento de reservatórios de amortecimento. A equação utilizada no método racional é: Q = 0,278. C. i. A (1) Q: vazão máxima (m3 s); C: coeficiente de escoamento superficial ou runoff; i: intensidade da precipitação (mm/h); A: área da bacia em estudo (km2). MATERIAL E MÉTODOS A seguir são apresentados os conceitos necessários para a correta utilização do método: Intensidade da precipitação: A intensidade do evento crítico considerado geralmente é determinada por relações de intensidade, duração e frequência e é expressa através das curvas IDF, que relacionam a intensidade da chuva (mm/h) para um dado período de retorno (anos) e um certo período de duração (horas). A relação IDF estabelece uma relação clássica geral (2) com coeficientes ajustados de acordo com o local em estudo, esses coeficientes podem ser obtidos com bases em dados medidos em postos pluviométricos. i = -../0 (2 3 45) 7 (2) a e b: parâmetros; m e n:expoentes; i: intensidade para um tempo de recorrência TR com duração td. Tempo de concentração (t c ): É definido como o tempo necessário para que toda a bacia contribua com o escoamento no ponto de exutório, ou seja, corresponde ao tempo que a gota que cai no ponto mais distante leva para atingir a seção em estudo. A determinação do tempo de concentração por meio de fórmulas empíricas está sujeita a imprecisões e incertezas significativas que se devem ao tipo de escoamento que cada fórmula procura representar (TUCCI, 2000). O tempo de concentração será determinado através da expressão proposta por Schaake et al (1967) mostrada em (3), a escolha desse método para a determinação do tempo de concentração se baseia no fato de que a expressão proposta pode ser utilizada em bacias urbanas, incluindo ruas pavimentadas com sarjetas ao longo dos passeios. t ; = A,BC D 7@ A,EF.G A,BF (3) tc: tempo de concentração [min]; Lb: comprimento do curso de água principal da bacia [ft]; imb: declive médio da bacia hidrográfica; α: percentagem de áreas impermeáveis na bacia em estudo. O comprimento do curso de água principal da bacia (Lb) será adotado igual ao comprimento da tubulação disposta ao longo do talvegue principal, local onde certamente estaria localizado o curso de água principal da bacia e estudo caso a mesma estivesse em seu estado natural. Na estimativa da percentagem de áreas impermeáveis deverá ser levado e consideração as características do estágio de desenvolvimento da região onde a bacia em estuda está inserida. Para a determinação do declive médio será utilizado o método das quadriculas associadas a um vetor. Declividade média A declividade média pode ser obtida com maior precisão pelo método das quadriculas. O método consiste em primeiramente obter o ponto de interseção quadrícula com as curvas de nível. Em cada interseção, traça-se perpendiculares a esses pontos. Intercepta-se essas perpendiculares na curva imediatamente abaixo. Com a informação do comprimento em planta e com a equidistância entre as curvas, calcula-se a declividade do ponto em estudo. Cada interseção da quadrícula com alguma curva de nível, é realizado a amostragem. De posse de todos os pontos, faz-se um tratamento estatístico com os dados e define-se a declividade média da bacia. Tempo de retorno (TR): Miguez et al (2016) define o tempo de retorno como o período de tempo em que determinado evento poderá ser igualado ou superado, ao menos uma vez, sendo relacionado à frequência (f) de ocorrência desse evento. TR = J K (4) Onde f é a frequência ou probabilidade de ocorrência do evento TR em um ano. A escolha do tempo de retorno é extremamente importante pois está diretamente ligada ao risco a ser assumido segundo Tucci (2000) "trata-se, portanto, de escolher qual o risco aceitável pela comunidade". Esse tempo pode ser adotado de acordo com a região do sistema de drenagem, a tabela abaixo estabelece o tempo de recorrência mínimo a ser adotado, em São Paulo, de acordo com as características do sistema. TABELA I - TEMPO DE RECORRÊNCIA PARA CHUVAS DE PROJETO EM SISTEMAS DE DRENAGEM (SÃO PAULO, 2012). Característica do sistema Tr (anos) Microdrenagem 2 a 10 Macrodrenagem 25 a 50 Grandes corredores de tráfego e áreas vitais para a cidade 100 Áreas onde se localizam instalações e edificações de uso estratégico, como hospitais, bombeiros, polícia, centros de controle de emergências, etc. Risco de perdas de vidas humanas (mínimo) O valor a ser segurado impacta diretamente na gestão do risco a se considerar, influenciando no planejamento através de diferentes períodos de tempo a se considerar. Eventos com 136

3 baixo tempo de recorrência tendem a provocar menores danos, enquanto eventos com maiores tempos de recorrência têm potencial para causar grandes prejuízos (MIGUEZ et al, 2016). A utilização da equação abaixo permite o cálculo da probabilidade de ocorrência de eventos hidrológicos para um determinado período de tempo ou para a vida útil do projeto. P.M = 1 1 J P (5)./ PTr: probabilidade de ocorrência do evento TR em n anos; TR: tempo de recorrência em anos; n: número de anos do período em análise ou vida útil de projeto. Coeficiente de escoamento superficial (C) O coeficiente de runoff é a razão entre o volume total de escoamento superficial no evento e o volume total precipitado (TUCCI, 2000). Deve-se tomar muito cuidado na tomada do coeficiente C pois no método racional todas as variáveis que influem no volume escoado são sintetizadas nesse único coeficiente. Miguez (2016) destaca que esse parâmetro ou a sua determinação pode ser escolhida facilmente e com uma margem de erro tolerável, pois como tal coeficiente é largamente utilizado pela comunidade cientifica, apresenta farta documentação na literatura clássica de hidráulica e hidrologia e em artigos científicos. Debo e Reese (2003) relatam que para precipitações de alta intensidade e vinculadas a determinados períodos de retorno deverá haver modificações neste coeficiente pois algumas perdas tem um menor efeito sobre o escoamento superficial. Portanto propõe-se ajustar o Método Racional através da multiplicação do coeficiente de escoamento estimado por um fator denominado coeficiente de frequência (cf), desde que essa multiplicação resulte em um valor menor que a unidade Q = cf. 0,278. C. i. A (6) Os valores de cf propostos por Debo e Reese, 2003 são apresentados na tabela abaixo. TABELA II - FATOR DE FREQUÊNCIA RELACIONADO COM O PERÍODO DE RETORNO OU RECORRÊNCIA. Tempo de recorrência Tr (anos) Coeficiente de frequência (cf) 2 a 10 1,0 25 1,1 50 1, ,2 Há ainda um outro modo de determinar o coeficiente de escoamento superficial de acordo com a percentagem área impermeável na bacia (α), utilizando a equação proposta por Schueler em C: coeficiente de escoamento superficial ou runoff; α: percentagem de áreas impermeáveis. Miguez et al (2016) recomenda a utilização de um fator para corrigir a tendência do método racional em superestimar as vazões de pico e expõe que esse coeficiente pode ser estimado pelo critério de Fantoli por meio da seguinte formulação: f = 0,0725. C. (i. t ; ) E W (5) Coeficiente de compacidade É a relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de mesma área que a bacia. Esse coeficiente será igual a um se bacia for uma circunferência. Caso contrário, será sempre maior. Bacias mais circulares tendem a ter tempos de concentração menores, causando maiores probabilidades de picos de enchente. K ; = 0,28 Y Z Kc: coeficiente de forma da bacia; P: perímetro da bacia; A: área da bacia. Fator de forma Fator de forma é a razão entre a largura média da bacia e o comprimento do eixo da bacia da foz até o ponto mais longínquo da área e pode ser determinado pela seguinte expressão: (8) K K = Z? B (9) Kf: fator de forma da bacia; A: área da bacia; L: comprimento do eixo da bacia (da foz ao ponto mais longínquo da área). Vazão de base e o Hidrograma Unitário para o Método Racional: No período de estiagem a vazão em um curso d água é mantida basicamente pelo escoamento subterrâneo. Nesse período, a vazão ocupa a chamada calha menor e tende a ser menor e menos variável, a calha menor é o canal produzido pela corrente liquida, dentro dos limites em que ela escoa sem transbordamento (MIGUEZ et al, 2016). Na maioria das vezes a vazão de base representa uma pequena parcela da vazão total escoada em um evento pluviométrico crítico. Portanto ao se estimar a vazão máxima, em uma pequena bacia, pelo método racional a vazão de base é desprezada. O Método Racional adota uma simplificação em seu hidrograma admitindo que existe uma relação linear entre a chuva efetiva e a vazão como mostra a figura 1. C = 0,05 + 0,009. α (7) 137

4 Fig Hidrograma do Método Racional. Fonte: Adaptado de Miguez et al (2016). O hidrograma é um gráfico que representa a vazão em uma seção do curso de água em função do tempo. Características físicas da bacia e características do evento hidrológico, como a duração e a intensidade da chuva, influenciam na resposta apresentada pela bacia a esse determinado evento. Hidrogramas mais pronunciados são gerados por chuvas mais intensas, ao passo que hidrogramas mais atenuados, com menor vazão de pico, são gerados por chuvas menos intensas. Pode-se observar no hidrograma que somente no tempo tc é que toda a área da bacia passa a contribuir para a vazão de projeto é por esse motivo que o tempo de duração da chuva de projeto deve ser considerado, no mínimo, igual ao tempo de concentração da bacia. Técnicas Compensatórias O desenvolvimento de uma bacia hidrográfica provoca o aumento dos picos dos hidrogramas de cheias, em face do aumento da área impermeabilizada da bacia, da redução de seu tempo de concentração, e da eliminação de armazenamentos naturais (TUCCI, 2000). As medidas para a redução do impacto do desenvolvimento urbano sobre o ciclo hidrológico são divididas em duas partes, na primeira busca-se alternativas que favoreçam a infiltração resgatando os aspectos naturais do ciclo hidrológico, já na segunda procura-se amenizar os impactos através do armazenamento de águas de chuva. Entre as alternativas de infiltração, Miguez et al (2016) destaca os pavimentos permeáveis, as valas de infiltração, as trincheiras de infiltração e os telhados verdes, já no grupo que privilegia a armazenagem são destacados os reservatórios de detenção, os reservatórios de retenção e os reservatórios de lote. Reservatórios de detenção: São reservatórios de armazenamento de curtos períodos, que reduzem as vazões de pico dos hidrogramas das cheias, aumentando o seu tempo de base e seu efeito sobre um hidrograma de cheia por ser visualizado na fig. 2. Fig 2. Hidrogramas típicos de pequenas áreas urbanas, onde o tempo de concentração é muito pequeno. Fonte: Manual de Drenagem de Porto Alegre. Segundo Tucci (2000) armazenamento do escoamento superficial nos reservatórios de detenção, tem o potencial de produzir os seguintes benefícios: Reduzir problemas de inundações localizadas; Reduzir os custos de um sistema de galerias de drenagem, devido à redução das dimensões das galerias; Melhorar a qualidade da água; Minorar problemas de erosão nos pequenos tributários, devido à redução das vazões; Aumentar o tempo de resposta do escoamento superficial; Melhorar as condições para reuso da agua e recarga os aquíferos; Reduzir as vazões máximas de inundação a jusante. RESULTADOS E DISCUSSÃO Determinação da área da bacia A área da bacia foi determinada com o auxílio do software de licença gratuita Google Earth, através da ampliação da elevação do terreno em 3 vezes o que permitiu uma melhor visualização dos espigões que delimitam os divisores de água. Assim pela análise da elevação do terreno, levando em consideração os divisores de água, foi delimitada a bacia de contribuição para a galeria em estudo. Essa metodologia de determinação interativa mostra-se adequada para pequenas bacias como conclui Freitas et al, A fig. 3 mostra a delimitação da bacia que contribui com a vazão no exutório. Como alternativa a delimitação interativa foi feita a delimitação automática com a utilização do software TauDEM, a partir do ponto definido como exutório. A área determinada na delimitação automática foi de 1,07 km2, ao passo que a área de delimitação interativa foi de 1,1 km2, o que corrobora a conclusão obtida por Freitas et al, Fator de forma 138

5 O fator de forma é um parâmetro que se relaciona com o comprimento da bacia de maneira que quanto menor esse fator mais comprida é a bacia e, portanto, o tempo de concentração é maior, o que torna a bacia menos sujeita a picos de enchente. O comprimento do eixo da bacia será adotado igual a distância do ponto mais distante da galeria de drenagem até o exutório, e foi obtido através do auxílio de softwares de sensoriamento remoto. O fator de forma obtido foi de 0,64. Coeficiente de compacidade O perímetro de 4,55 km foi obtido com base nas propriedades do polígono utilizado para a delimitação da bacia no software Google Earth. O coeficiente de compacidade calculado para a bacia em estudo foi de 1,21 e indica que o tempo de concentração da bacia é relativamente baixo. Cálculo do tempo de concentração O comprimento médio dos talvegues definidos foi adotado igual ao comprimento da galeria existente. A taxa de impermeabilização foi adotada de 85%. <,=<>.(J><[,=[.>,[\) A,BC <,<]^A,EF.<,\= A,BF t ; = 5,67 min Fig. 3. Delimitação da microbacia em estudo, Umuarama PR. Fonte: Adaptado de Google Earth (2017). TABELA III - AGRUPAMENTO DE DADOS DE DECLIVIDADE PARA UMA MALHA QUADRADRADA DE 500X500 METROS. CLASSE Frequência % Relativa % Acumulada Declividade Média Freq x Média 0-0, % 91% 0,06 1,86 0,125-0, % 94% 0,19 0,1865 0,249-0, % 94% 0,31 0 0,383-0, % 97% 0,44 0,4395 0,497-0,62 0 0% 97% 0,56 0 0,621-0, % 100% 0,68 0,6825 TOTAL % - - 3,1685 t ; =Cálculo da chuva de projeto A chuva de projeto será calculada para um tempo de retorno igual a 10 anos e de acordo com a equação de chuvas intensas de Umuarama. A equação IDF para o município de Umuarama pode ser obtida no software Plúvio Chuvas intensas para o Brasil desenvolvido pelo Grupo de Pesquisa em Recursos hídricos DEA UFV. A equação utilizada no presente trabalho foi exposta por Fendrich (1998) e é apresentada a seguir: i = 1752,27. 10<,Jc\ (5, ) <,\c i = 179,07mm/h Cálculo da vazão de projeto Pelo critério de Fantoli o fator de correção (f) é igual a 0,69. A chuva de projeto será calculada pelo método racional. A bacia em estudo, possuí área menor que 10km², portanto aplica-se o método racional. Q = Cf. f. 0,278. C. i. A Q = 1. 0,69. 0,278. 0, ,07. 1,1 Q = 32,11 m > /s 139

6 Cálculo da capacidade de vazão das galerias existentes Há, no trecho analisado, duas tubulações de ϕ 1,0m e uma de ϕ 1,5m. A capacidade de vazão dessas galerias é calculada de acordo com as equações clássicas de Manning. Será adotado coeficiente de rugosidade de manning igual a 0,018. A declividade do trecho foi obtida mediante levantamento das galerias. [ Q = 1 n. R>. A. i J [ h Para a velocidade máxima será adotada, seguindo recomendação de Miguez et al, 2016, o valor de 5m/s. A capacidade de vazão das galerias existentes é de 15,13 m3/s. PROPOSTA DE SOLUÇÃO Existem diversas soluções técnicas para o controle de cheias urbanas, entre as medidas estruturais destacam-se os reservatórios de detenção e retenção. Os reservatórios de detenção são estruturas onde a acumulação das águas de chuva é temporária. Além da sua função principal de amortecer as vazões de cheia os reservatórios proporcionam a captação de detritos e sedimento provenientes da rede de drenagem o que facilita a limpeza e diminui o seu custo, uma vez que, os sedimentos e detritos são acumulados em um único ponto. Uma das vantagens da implantação de reservatórios de detenção é que ele permite a sua integração com o ambiente urbano através de usos potenciais como quadras de esportes, espaços para áreas de lazer e compondo projetos urbanísticos. A viabilidade econômica da construção de um único reservatório é atestada por Reda et al (2016) que compara duas diferentes soluções para a mitigação de inundações. Este presente trabalho propõe a construção de um reservatório de detenção que na ausência de eventos críticos funciona como uma quadra de futsal. A área utilizada para a implantação do reservatório será a área anexa ao Estádio Municipal Lucio Pepino. O reservatório deverá ser offline, ou seja, fora do traçado original da galeria em estudo. Durante um evento critico o reservatório só começara a ser preenchido quando lâmina dentro da tubulação atingir 50%. O reservatório contém um orifício de saída circular e além disso um vertedouro extravasor de geometria retangular. O reservatório proposto é apresentado na fig. 4. Fig. 5-Detalhe do orifício de saída e do vertedouro retangular extravasor. CONCLUSÃO Conclui-se, portanto, que é necessária a utilização de técnicas compensatórias para suprir o excesso de vazão. Visando a integração da solução técnica com a paisagem e integração urbana e também a viabilidade econômica. REFERÊNCIAS [1] SÃO PAULO, Manual de drenagem e manejo de águas pluviais: gerenciamento do sistema de drenagem urbana. São Paulo: Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (contratada pela Secretaria Municipal de Desenvolvimento Urbano da PMSP) pp [2] DEBO, T. N; REESE, A. J. Municipal stormwater management. 2. ed. Boca Raton, Flórida: Lewis Publishers, [3] MENEZES FILHO, F. C. M. Sistematização para projeto de galerias de águas pluviais. Dissertação de Mestrado em Engenharia do Meio Ambiente. Universidade Federal de Goiás. Goiânia, p. [4] WILKEN, P. S. Engenharia de drenagem superficial. São Paulo: CETESB, p. [5] Rutter, A.J., The hydrological cycle in vegetation. In J.L. Monteith (ed.), Vegetation and the Atmosphere, vol. 1- Principles, Academic Press, London, p [6] Tucci, C.E.M. Hidrologia: ciência e aplicação. 2ª Ed., Porto Alegre. Rio Grande do Sul (RS). Editora Universidade p. [7] CANHOLI, Aluísio. Drenagem urbana e controle de enchentes. São Paulo: Oficina de Textos, [8] SCHUELER, T. R., Controlling Urban Runoff : A Practical Manual for Planning and Designing Urban BMPs. Department of Environmental Programs, Metropolitan Washington Council of Governments. [9] REDA et al, Urbanização, mudanças no clima e reservatórios para amortecimento de cheias: Comparando Soluções de Micro e Macro escala. Salvador. Bahia (BA). COPEC pág. [10] MIGUEZ, Marcelo Gomez; VERÓL, Aline Pires; REZENDE, Osvaldo Moura. DRENAGEM URBANA: DO PROJETO TRADICIONAL À SUSTENTABILIDADE. Rio de Janeiro: Elsevier, p. Fig. 4 Perspectiva do reservatório de detenção proposto (na ausência de evento crítico será utilizado como quadra de futsal). 140