Noções sobre estimativa de vazões aspectos conceituais e metodológicos

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1 Noções sobre estimativa de vazões aspectos conceituais e metodológicos Estimativa de vazões A água que escoa na terra depois de uma chuva precisa ser avaliada ou medida para que seja possível projetar e construir as valetas, as sarjetas, os bueiros, etc. Essa avaliação chama-se estimativa de vazões v zões. OBJETIVOS: - Promover conhecimento sobre a estimativa de vazões e discutir o método racional para bacias urbanas. - Dar noções sobre estimativa de valores do escoamento superficial em seções escolhidas, conceituação de coeficiente de escoamento superficial e método racional. Para fazer uma estimativa das vazões, ou seja, definir a quantidade de água que passa por um ponto/seção, os técnicos utilizam geralmente os seguintes métodos: Medições diretas; Comparações com outras situações; Fórmulas matemáticas empíricas. Uma das coisas mais importantes é conhecer a quantidade de água que é drenada no solo, para avaliar as conseqüências do escoamento das águas no solo, depois de uma chuva. Uma das maneiras mais conhecidas para avaliar ou fazer uma estimativa de vazões é o chamado Método Racional. Este método se aplica para pequenas bacias hidrográficas e sua fórmula matemática é a seguinte: Q = C. i. A Guia do profissional em treinamento ReCESA 1

2 sendo, Q: estimativa de vazão em litros / seg. C: número de natureza prática que representa as condições de escoamento das águas, variando com o tipo de cobertura ou revestimento do solo que, por sua vez, dependem da ocupação e uso do solo. É conhecido como coeficiente de escoamento superficial; i: quantidade média de chuva que cai no solo, durante algum tempo, dada em litros / seg.ha; A: área da bacia hidrográfica em que a chuva cai, dada em ha. Quando a quantidade média de chuva que cai em um determinado período de tempo é dada em mm/hora e a área da bacia é dada em m², pode-se utilizar a fórmula matemática do Método Racional na seguinte forma: Q = 0,278 C.i.A O coeficiente de escoamento superficial é tanto maior quanto maior o grau de impermeabilização do terreno. Abaixo são apresentados alguns valores deste coeficiente para diferentes tipos de superfície: Fonte: WILKEN, Tipo de superfície Coeficiente C Pátios internos acimentados 0,90 Área construída 0,80 Ruas asfaltadas 0,70 Passeios de concreto 0,60 Áreas em terra 0,25 Área jardinada 0,15 A quantidade média de chuva, chamada de intensidade da precipitação (i), é obtida por meio de fórmulas matemáticas que relacionam a duração das chuvas e sua quantidade que cai em uma determinada área. O Método Racional leva em conta a chuva que cai, a forma e o tipo do escoamento, a quantidade de área impermeabilizada, a forma e a declividade média da bacia. Pode-se também fazer estimativas de vazões diretamente no terreno, escolhendo um ponto de topografia conhecida e colocando em seu bordo uma régua graduada onde se pode ver como a água sobe e desce ao longo do tempo. Guia do profissional em treinamento ReCESA 2

3 Debate É muito difícil fazer uma estimativa de vazão? Como poderíamos avaliar a quantidade de água que cai de um telhado com 50 m2 de área, de uma chuva que demorou 2 horas e que tem uma calha ao seu redor e uma bica com uma única saída? Como poderíamos avaliar a quantidade de água de chuva que demorou 1 hora e que passa por uma rua pavimentada com 7,00m de largura, inclinada para um só lado (inclinação 3%), sem Brasil (1987, p. 67). Fonte: Panorama Geográfico do ultrapassar o meio fio, que tem 15 cm de altura? Guia do profissional em treinamento ReCESA 3

4 Bacia hidrográfica urbana e delimitação das áreas de contribuição OBJETIVOS: Bacia hidrográfica urbana: é uma bacia hidrográfica ou parte dela que engloba localidades densamente habitadas pelo homem, na qual o comportamento do escoamento da água se modifica devido às construções e a forma de urbanização dos espaços públicos. Dentro de uma mesma bacia hidrográfica, podem existir várias sub-bacias. - Promover conhecimento e debates entre os participantes sobre o conceito de bacia hidrográfica urbana e as estratégias de delimitação da área de contribuição para estimativa de vazões, esclarecendo o diferencial de delimitação em zonas modificadas por ação antrópica. Chamamos a linha que contorna toda a bacia de divisor de águas. Essa linha encontra-se geralmente na parte mais elevada do terreno. Fonte: Enciclopédia Larousse Cultural (1995, p. 11). Guia do profissional em treinamento ReCESA 4

5 Quando está chovendo, a água que cai dentro da área da bacia (divisor de águas) escoa das partes altas para as mais baixas, procurando os seus caminhos naturais que estão nos vales. Daí escoa formando córregos, riachos, rios. Finalmente, no ponto mais baixo da bacia ou subbacia, as águas irão desaguar em um único ponto, que também pode ser um riacho, córrego, rio, uma lagoa ou até o mar. Fonte: Enciclopédia Larousse Cultural (1995, p. 4627) Dá para ver que os vários rios, riachos e córregos dentro da bacia se ligam uns aos outros, procurando sair sempre no mesmo local. Dessa maneira, tudo que é jogado no terreno, a depender do peso, pode ser carregado pela água durante a chuva e ser transportado pelos rios, córregos e riachos. Toda a sujeira, todo o lixo, toda a forma de poluição jogada com descuido em qualquer ponto do terreno da bacia vai percorrer e atravessar toda a sua área e desaguar, saindo por aquele ponto e caindo em outros rios ou lagos, poluindo, assoreando, contaminando e degradando o ambiente. O lado bom é que as bacias hidrográficas podem ser utilizadas para planejar tudo o que pode acontecer na bacia, facilitando o manejo das águas no seu interior. Guia do profissional em treinamento ReCESA 5

6 Como se planeja uma bacia para não degradar o ambiente? Debate Como se planeja a ocupação dos espaços por onde passa um rio dentro das cidades? Em um município podem existir várias bacias pequenas e uma bacia grande pode conter um ou vários municípios. Se cuidarmos mal do uso e ocupação do solo de uma bacia de um município Se o município da parte mais alta do rio resolve fazer uma grande barragem para fazer irrigação, os municípios situados rio abaixo, podem ficar sem água durante algum tempo se o rio tiver pouca água. p. 2640). Fonte: Enciclopédia Larousse Cultural (1995, que fica na parte alta da bacia, os municípios da parte baixa irão sofrer as conseqüências. Temos, portanto, que planejar de maneira integrada toda a bacia, procurando conhecer os usos e as necessidades de água de todos os municípios, tratando devidamente os esgotos e as águas servidas, para que ninguém fique com o prejuízo ou sofra com a falta de água. Para planejar uma bacia hidrográfica é preciso fazer alguns estudos em toda sua área. Esses estudos servem para que possamos conhecer as características da região e os seus principais problemas. Se os municípios das partes altas do rio não tratam os esgotos ou jogam os dejetos dentro dos rios, os municípios rio abaixo vão receber águas poluídas, imprestáveis para o uso. Guia do profissional em treinamento ReCESA 6

7 Algumas dessas informações são encontradas em mapas chamados temáticos, que informam sobre vários tipos de assunto, como vegetação, topografia, geologia, hidrologia, rodovia, habitação, sistema de serviços públicos, etc. Outras são obtidas no próprio local, a partir de anotações feitas por pessoas que conhecem o assunto. Nos mapas topográficos, encontramos a representação de tudo que existe ou foi construído no terreno, bem como as altitudes, ou seja, o relevo que determina a direção tomada pelos rios. Quanto mais acidentado for o terreno, maior a quantidade de rios, córregos e riachos que serão formados durante a chuva (rios intermitentes) ou mesmo permanentemente (rios perenes). Se durante o ano chove muito e, em determinados meses, sempre sobre uma bacia, geralmente o numero de rios e riachos é grande e o volume de águas de cada um deles é maior. No verão chove mais durante pouco tempo, no inverno chove pouco durante todo o tempo. Fonte: Enciclopédia Larousse Cultural (1995, p. 4265). Quando a água de chuva cai sobre a bacia, parte dela evapora, outra infiltra no solo e a restante forma rios e riachos escorrendo pelo solo. Da parte da água que se infiltrou no terreno, uma pode ser absorvida pelas plantas e retornar à atmosfera (transpiração), outra pode se infiltrar no solo e voltar aos rios, riachos e lagos e uma parte pode, por percolação, alcançar os aqüíferos e neles se depositar ou escoar no subsolo sob forma de lençóis de água. A chuva não cai por igual em toda a bacia: em algumas regiões, as chuvas são fortes e caem sempre e, em outras, chove menos e durante pouco tempo. Geralmente, nas zonas mais altas chove mais. Os rios transportam leve que é jogado ou depositado neles, servindo, assim, como agente de modificação do ambiente. Escavam o terreno e transportam os solos dissolvidos junto com folhas, galhos, para 1001). Fonte: Enciclopédia Larousse Cultural (1995, p. todo material mais rios ou mares mais distantes. Guia do profissional em treinamento ReCESA 7

8 É preciso conhecer o caminho natural dos rios, a quantidade de água que passa por eles, os tipos de materiais que eles transportam e que tipo de prejuízo pode causar aos ocupantes das áreas, rio abaixo. Os rios podem fornecer água para abastecer cidades ou povoados, irrigar lavouras, alimentar indústrias, gerar eletricidade e para matar a sede dos animais, além do atendimento aos hábitos higiênicos e funções alimentares. Para aumentar a capacidade de fornecimento de água de um rio, podem-se construir, ao longo do seu leito, em locais apropriados, reservatórios denominados barragens ragens. Fonte: Enciclopédia Larousse Cultural (1995, p. 2738). Quando o rio transporta muito solo, devido a escavações (erosões), as barragens construídas podem diminuir o seu volume de armazenamento, devido ao depósito destes solos no seu reservatório, fato que se denomina sedimentação ou assoreamento. A quantidade de água que escoa por um rio (vazão) não é constante, nem ao longo dos anos e nem durante os meses do ano. A vazão depende de como as chuvas caem na bacia, com que intensidade e como são distribuídas durante o dia, os meses e os anos (regime de chuvas). Os terrenos mais permeáveis possibilitam maiores infiltrações; os mais impermeáveis garantem retenções no armazenamento; os solos férteis possibilitam a lavoura e o surgimento de vegetação. Terrenos granulares, principalmente os arenosos, facilitam o processo das erosões; solos finos são mais facilmente transportados e depositados sob a forma de sedimentação. Os solos coesivos, como os argilosos, resistem melhor à erosão. Como não podemos escolher o tipo de solo de uma bacia, temos que aprender a cuidar do manejo da água, de modo a causar o menor dano possível. Guia do profissional em treinamento ReCESA 8

9 Fonte: Enciclopédia Larousse Cultural (1995, p. 4146) A cobertura vegetal de uma bacia, seja ela floresta, mata ou mesmo forragens rasteiras, protege o terreno, evitando as erosões e suas conseqüências, além de reter, convenientemente, parte da água, diminuindo a possibilidade de inundações rio abaixo. Como vivemos apoiados sobre o terreno e ele serve de base para nossas construções e para plantarmos as nossas lavouras, é necessário conhecer a formação dos solos da bacia. O planejamento e o manejo de águas em uma bacia devem levar em consideração o controle do desmatamento e garantir a manutenção das forragens vegetais mais convenientes. Hoje, a vegetação existente é quase toda criada pelo homem. As florestas foram desmatadas para dar lugar à agricultura e à pecuária. Temos que admitir que a plantação de árvores para substituir as florestas tem evoluído bastante. DESMATAMENTO: A taxa de desmatamento na Amazônia entre os anos de 1995 e 2000 foi de 1,90 milhões de hectares por ano (LAURENCE, ALBERNAZ e DA COSTA, 2007). Modelos matemáticos estimam que, até o ano de 2050, 40% da floresta amazônica já poderá ter desaparecido (SOARES FILHO e OUTROS, 2005). Cerca de 12 a 20 hectares de florestas desaparecem a cada minuto (DESMATAMENTO, 2007). REFLORESTAMENTO: Em 2005, foram recuperados no Brasil 553 mil hectares, o maior índice de replantio já feito no país (BRASILCONPET, 2007). O Brasil já plantou em 2007 o equivalente a 16 milhões de árvores, garantindo uma vaga entre os maiores reflorestadores do mundo (POLÍTICA E SUSTENTABILIDADE, 2007). As modificações no uso do solo causam ganhos econômicos significativos, mas alteram o comportamento dos recursos hídricos da bacia e prejudicam o ambiente, principalmente pelo aumento das erosões e comprometimento da qualidade das águas. Guia do profissional em treinamento ReCESA 9

10 Com o manejo do terreno para atividades agrícolas ou mesmo para desmatamento no meio rural e escavações para construção nas cidades, as partículas de solo acabam se desagregando e sendo arrastadas pelos rios, córregos e riachos para outros locais, prejudicando mais uma vez o ambiente. O manejo do solo traz melhorias, mas cria problemas ao ambiente natural. O planejamento adequado do uso do solo e dos recursos hídricos de uma bacia minimiza esse problema. Esse é o preço que se paga pelas melhorias econômicas que se deseja alcançar. Temos que encontrar os limites para conviver com as duas coisas: a preservação e o uso do ambiente para extrair as necessidades das empresas, governos e o homem. Fonte: -bonduki.jpg A questão não é crescer apenas pela necessidade de progresso, mas sim, crescer de maneira planejada. Com o aumento da população, no campo e nas cidades, cresce o consumo de água. O volume de água tratada destinado ao suprimento da população é de cerca de 200 a 250 litros por pessoa. Para chegar a esses valores, os números tradicionalmente utilizados para representar o consumo de água por pessoa são acrescidos a um valor correspondente a usos múltiplos, como criação de animais, plantio de hortas, etc. A maior parte dessa água é retirada diretamente dos rios e só uma pequena parte dos lençóis subterrâneos. Guia do profissional em treinamento ReCESA 10

11 Trabalho de grupo Metade do grupo defende o desenvolvimento econômico. A outra metade defende a preservação do meio ambiente. É eleito um representante para cada grupo. Os dois representantes devem chegar a um consenso. Se chegarem a um consenso, cada um deles explica para o grupo porque cedeu de suas posições iniciais. Se não chegarem a um consenso, cada um deles explica para o grupo porque não cedeu de suas posições iniciais. O problema é que cerca de 80% dessa água é devolvida à bacia sob a forma de esgotos e águas servidas, aumentando a necessidade de tratamento de esgotos e da água nas bacias rio abaixo. Quando se retira água de rios de uma bacia para utilização em outra bacia, causamos uma perda real, que deve ser avaliada pelo processo de planejamento, de modo a não criar problemas ao ambiente ou faltar para o abastecimento e a necessidades da bacia de origem. Os peixes que povoam os rios são muito importantes para a manutenção dos sistemas naturais. Quando são lançados esgotos nos rios, ocorre o aparecimento de microorganismos que se alimentam desse material, havendo o consumo do oxigênio que está presente na água, deixando pouco oxigênio para os peixes, que acabam morrendo. Com isso, os rios perdem os peixes e, com a poluição, terminam morrendo. Além disso, a água do rio fica imprópria para o consumo humano, encarecendo o tratamento da água. Debate O que fazer para preservar os rios? Como evitar que o lixo seja jogado nos rios? Como evitar que o esgoto seja lançado nos rios? Por que os peixes morrem em rios poluídos? Como combater a erosão? Por que o desmatamento prejudica o ambiente em uma bacia? Guia do profissional em treinamento ReCESA 11

12 A carga de esgoto gerada pelas indústrias é seis vezes maior que a do esgoto doméstico. Além do esgoto que o homem lança nos rios em cada bacia, devemos acrescentar o volume de lixo neles depositado. Cada pessoa produz cerca de 0,54 kg de lixo por dia. Se não houver coleta eficiente do lixo, uma grande parte dele vai parar nos rios e córregos. As bacias, principalmente as muito povoadas, estão com sérios problemas ambientais, porém o principal deles parece ser a falta de tratamento dos esgotos domésticos e os efluentes industriais. Guia do profissional em treinamento ReCESA 12

13 Noções de hidráulica aplicada à drenagem das águas pluviais urbanas Hidráulica: ciência que investiga de forma simplificada o escoamento de OBJETIVOS: fluidos (especialmente a água) e as aplicações tecnológicas de alguns tipos de escoamento. - Proporcionar aos participantes o contato com conceitos básicos de hidráulica aplicada A hidráulica geral aplica os conceitos e estudos dos movimentos dos fluidos e o resultado de experiências de laboratório nas soluções de proble- pluviais urbanas: no- à drenagem das águas ções básicas sobre o mas práticos que têm a ver com o manejo das águas e sua condução nos escoamento em condutos livres, critérios e canais ou tubulações. parâmetros de dimensionamento. Os condutos em tubos ou canais são projetados para transportar a água de um ponto até um destino desejado e apropriado para lançamento ou armazenamento. Fonte: Os canais abertos, ou seja, quando a superfície superior do líquido está em contato direto com o ar, funcionam em escoa- mento livre. Quando a seção transversal da canalização tem uma forma geométrica fechada, como tubos circulares, estes podem, em determinadas situações, funcionar sob pressão. Guia do profissional em treinamento ReCESA 13

14 Fonte: /valeparaiba.htm Para melhorar o comportamento da água no interior dos canais ou para facilitar a entrada e saída deles, são projetadas estruturas hidráulicas complementares. As mais importantes são as estruturas de captação, os dispositivos de transição ou mudança de seção, vertedouros, dissipadores de energia e obras de lançamento. Quando a energia não é suficiente para levar a água por ação da gravidade ou quando existe necessidade de transpor obstáculos, utilizam-se estações de bombeio equipadas com bombas com potência suficiente para empurrar a água para onde se deseja. A hidráulica fluvial estuda o escoamento das correntes naturais dos rios, riachos e córregos, a sua velocidade, inundações, erosão, sedimentação, etc. Os escoamentos superficiais podem ser permanentes e uniformes. Para calcular a velocidade da água em situação de escoamento superficial, utiliza-se uma fórmula matemática chamada Fór- mula de Manning. V = velocidade média, em m/s; R H = raio hidráulico, em m.; V = 2 3 H ( R ) i = declividade média do conduto, em m/m; n = coeficiente de rugosidade (tabelado). (PORTO, 2005) n i 1 2 R H O Raio Hidráulico é determinado pela relação entre a Área Molhada (AM) e o Perímetro Molhado (PM). Sua fórmula matemática é: R H = A M P M Guia do profissional em treinamento ReCESA 14

15 A figura abaixo representa a área molhada e o perímetro molhado da seção de um conduto: Quando a velocidade da água no interior dos canais é muito grande, há o risco de se danificar os revestimentos devido à abrasão. Quando esta é muito pequena, ocorre deposição de pequenos sedimentos, que podem entupir as canalizações. Dessa forma, devemos garantir uma velocidade mínima que arraste os sedimentos (velocidade de autolimpeza) e que não seja muito elevada a ponto de danificar os revestimentos dos canais. Debate Você saberia dizer o que significa a expressão Q = V. A? Como você estimaria a vazão que passa por um canal a partir das informações fornecidas pela fórmula de Manning? Guia do profissional em treinamento ReCESA 15

16 Geometria e funcionalidade dos dispositivos drenantes para escoamento de deflúvios Fonte: d2052d.jpg A água de chuva, ao cair sobre o solo, escorre inicialmente por caminhos naturais formando os córregos, riachos e rios. Nas cidades, além desses caminhos naturais, as águas de chuva escoam pelos terrenos, pelos telhados das casas e pelas ruas, que na realidade são grandes canais, onde causam problemas para os pedestres e para os veículos que por elas circulam. Quando as águas de chuva caem sobre as cidades, uma grande parcela escoa pelas ruas. OBJETIVOS: - Proporcionar aos participantes conhecimentos básicos sobre dimensionamento de sistemas de drenagem com escoamento em estruturas superficiais e em galerias. - Apresentar a geometria das estruturas e dispositivos de drenagem superficial e subterrânea, assim como os procedimentos para a avaliação funcional das estruturas e noções de métodos construtivos. Fonte: MASCARÓ (1989, p. 18). Muitas vezes, quando chove, as ruas funcionam como canais que se tornam inconvenientes para a circulação das pessoas e dos veículos. Para evitar esses inconvenientes, é necessário construir algumas obras chamadas dispositivos drenantes, para melhorar as condições de circulação e escoamento das águas. Os dispositivos drenantes mais comuns são: Valetas de proteção de corte e aterros. Sarjetas em cortes, aterros, no pé do meio fio e no canteiro central. Saídas e descidas de água. Bocas de lobo. Guia do profissional em treinamento ReCESA 16

17 Caixas coletoras e de inspeção. Poços de visita. Galerias e bueiros. Dissipadores de energia. Para o dimensionamento hidráulico de todos os dispositivos drenantes, utiliza-se o Método Racional. Como apresentado anteriormente no item que abordou a estimativa de vazão, a fórmula matemática para o cálculo da quantidade de água que passa na seção geométrica do dispositivo de drenagem é dada por: Q = C i A VER PÁGINA 33 Pode-se também, se necessário, calcular a velocidade com que a água passa na seção considerada do dispositivo drenante ou fazer medições diretas. Deve-se fazer essa verificação para controlar a ação agressiva das águas sobre as superfícies de revestimento dos dispositivos, que podem ser erodidos ou danificados se a velocidade da água ultrapassar os limites recomendados. Foi mostrado no item sobre noções de hidráulica que a velocidade pode ser medida ou calculada também com o uso de uma equação matemática chamada fórmula de Manning (equação da continuidade). V = 2 3 H ( R ) n i 1 2 VER PÁGINA 46 DISPOSITIVOS DRENANTES Valetas de Proteção Fonte: Valetas de proteção de corte: são construídas no topo dos cortes, para canalizar as águas que escorrem morro abaixo e impedir que escoem pelos taludes, causando erosões. Guia do profissional em treinamento ReCESA 17

18 As valetas de proteção de cortes e aterros podem ser trapezoidais, retangulares ou triangulares. O tipo mais comum é a trapezoidal, porque são fáceis de construir e apresentam uma melhor eficiência de funcionamento hidráulico. Fonte: _sup02_vpc.htm Os tipos de revestimentos mais recomendados são: vegetação; concreto; alvenaria de pedra; alvenaria de tijolo. As valetas de crista de corte devem ser projetadas no lado em que a água tende a escoar pelos taludes para evitar que o escoamento comprometa a segurança do corpo da via, devido à erosão dos taludes. Fonte: Valetas de proteção de pé de aterro: coleta as águas que escorrem pelo terreno em direção ao pé dos aterros, impedindo-as de atingir o corpo da via. Guia do profissional em treinamento ReCESA 18