TELHADOS VERDES COMO TÉCNICA COMPENSATÓRIA EM DRENAGEM URBANA: ESTUDO DE CASO EM UMA RUA DO BAIRRO GRAJAU, RIO DE JANEIRO, BRASIL

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1 TELHADOS VERDES COMO TÉCNICA COMPENSATÓRIA EM DRENAGEM URBANA: ESTUDO DE CASO EM UMA RUA DO BAIRRO GRAJAU, RIO DE JANEIRO, BRASIL Pedro de Souza Garrido Neto 1 & Marcelo Gomes Miguez 2 Resumo O presente artigo tem como objetivo utilizar o modelo matemático MODCEL para verificar os benefícios que se pode ter, em termos de redução de vazões de pico e cotas de nível d água em ruas e galerias de drenagem, com a implantação de coberturas verdes nos lotes de um trecho da rua Itabaiana, localizada no bairro Grajau, município do Rio de Janeiro. Foram realizadas as simulações de dois cenários: um considerando o trecho desta rua com as coberturas que existem atualmente, e outro, atribuindo coberturas verdes nos telhados onde a implantação destas é possível. Os resultados apontaram que, ao implantar os telhados verdes nos lotes existentes neste trecho de rua, a vazão de pico na galeria de drenagem é reduzida, em seu trecho final, cerca de 13,3%. Além disso, também no final do trecho considerado, verificou-se que a lâmina de água chegou a ser reduzida em cerca de 7 mm, na rua, e em 7,5 cm na galeria de drenagem. Pode-se concluir com este estudo que os telhados verdes podem ser uma prática útil dentro do escopo da drenagem urbana sustentável, para o amortecimento das vazões de pico e de níveis de água, a ser adotada para o controle de cheias urbanas. Palavras-Chave MODCEL, drenagem urbana, telhados verdes. GREEN ROOF AS COMPENSATORY TECHNIQUE FOR URBAN DRAINAGE: CASE STUDY OF ITABAIANA STREET IN GRAJAU, RIO DE JANEIRO, BRASIL Abstract This paper aims to use the mathematical model MODCEL to verify the benefits that can be obtained, in terms of reducing peak flow and water levels in streets and storm drains, with the implementation of green roofs in lots of a stretch of Itabaiana Street, located in Grajau, Rio de Janeiro. Two simulations were performed: one considering the stretch of the street with the current roofs, and another one, considering the use of green roofs, whenever possible. The results showed that the implementation of green roofs on the existing lots in this stretch of Itabaiana Street, the peak flow in the storm drain is reduced about 13,3%, at the final stretch of the street. Furthermore, it was also observed at the end of the considered stretch that the water level decreases about 7 mm, at the street, and 7,5 cm in the drainage gallery. It can be concluded from this study that green roofs can be a useful tool, in the scope of sustainable urban drainage, used for damping peak flows and water levels, in the context of urban flood management. Keywords MODCEL, urban drainage, green roofs. INTRODUÇÃO Ao longo de toda a história da humanidade, sempre houve uma profunda ligação das cidades com os cursos d água, sendo estes determinantes para a sua própria existência, na medida em que constituíram fatores essenciais no processo de sedentarização das populações. Entretanto, os papéis desempenhados pelos cursos d água em muito variaram, historicamente, com o desenvolvimento das cidades, refletindo a transição das sociedades de base econômica agrícola, de ocupação populacional majoritária em áreas rurais, para as sociedades industriais, predominantemente urbanas (BAPTISTA; NASCIMENTO, 2002). 1 Engenheiro Hidráulico do Instituto Estadual do Ambiente Inea/RJ, e aluno de Mestrado do Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ; (21) ; pedro@coc.ufrj.br 2 Professor do Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ; (21) ; marcelomiguez@poli.ufrj.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 O conceito da drenagem urbana vem evoluindo com o tempo, de acordo com a percepção do quanto o meio ambiente é sensível às intervenções humanas. Hoje, já se sabe que as práticas sanitaristas de evacuação rápida das águas pluviais através de obras hidráulicas não são tão eficazes quanto o devido planejamento de ocupação do solo e a adoção de medidas compensatórias, posturas essas que caracterizam um novo conceito de drenagem urbana, conhecida como drenagem sustentável (GARRIDO NETO, 2012). Assim, outras soluções alternativas e complementares tais como coberturas e fachadas verdes, pavimentos permeáveis e valas de retenção passaram a tomar espaço nas grandes cidades europeias, fazendo com que a drenagem urbana assumisse mais um objetivo além daquele mais comum de apenas livrar-se da água, o de preservação ambiental. Iniciado na Europa, esse conceito de drenagem com um enfoque ambiental já se encontra espalhado pelo mundo (TUCCI; GENZ, 1995 apud SILVEIRA, 2002). Os telhados verdes podem contribuir para a redução do escoamento superficial de águas pluviais, através de seus processos de retenção, infiltração, absorção e evapotranspiração. Porém, a adoção desta prática tem sido limitada, pela falta de consenso em relação ao seu desempenho e de ferramentas de modelagem (POË et al., 2011). Basicamente, uma cobertura verde é composta por uma camada de drenagem, um substrato e uma vegetação. A camada de drenagem traz o benefício de atrasar os picos de vazões, devido ao fato da água da chuva ter que percorrer todo o plano horizontal desta camada antes de ir para o ponto de saída. Os substratos são geralmente leves, de base mineral, bem arejados e com poucas partículas finas, sendo que o movimento da água nesta camada tende a ser lento e ocasionado pela energia potencial. A vegetação interfere na precipitação devido as perdas por evapotranspiração que a mesma ocasiona no sistema, que é maior ou menor de acordo com a área da superfície das folhas e com a fisiologia da planta (POË et al., 2011). Inúmeros programas de pesquisa sobre telhados verdes relataram níveis de retenção altamente variáveis, normalmente entre 30% e 100%. Essas variações são reflexo das diversas definições tomadas para retenção e das particularidades de cada ensaio, em que vários tipos de configurações podem ser estabelecidos para os protótipos, além das diferentes condições climáticas locais dos locais de realização (POË et al., 2011). OBJETIVOS O presente artigo tem como objetivo utilizar o modelo matemático MODCEL para verificar os benefícios que se pode ter, em termos de redução de vazões e cotas de nível d água nas ruas e galerias de drenagem, com a implantação de coberturas verdes nos lotes de um trecho de uma rua localizada no bairro Grajau, município do Rio de Janeiro. Para isto, serão apresentados os resultados de dois cenários, um considerando o trecho da rua em questão com as coberturas que existem atualmente, e outro, atribuindo coberturas verdes nos telhados em que a implantação destas foi identificada como sendo possível, a partir da avaliação de imagens de satélite disponíveis através do Google Earth e de observações feitas em ocasiões de visita a rua alvo do presente estudo. ÁREA DE ESTUDO O local de estudo é um trecho da rua Itabaiana, que está localizada no bairro Grajau, município do Rio de Janeiro. Na Figura 1, estão indicados o início e o fim do trecho em questão, e, em vermelho, as áreas de contribuição, compostas pelos telhados, quintais, calçadas e ruas. A modelação de apenas uma rua tem por finalidade testar a concepção de modelo para representação da realidade física em escala piloto. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Este trecho da rua Itabaiana, com extensão de 179 metros e largura de 7 metros, tem calçadas com largura média de 3 metros e galeria de drenagem subterrânea com 0,6 metros de diâmetro, situada a uma profundidade de 1,30 metros da rua. A declividade do trecho é de 2,8%. Após observações constatadas em visita ao local, decidiu-se considerar, para este estudo, uma altura média de 10 centímetros para o meio-fio, de 40 centímetros para os quintais, e de 3,50 metros para os telhados. Essa caracterização geométrica é importante para a representação do modelo. Figura 1 Local de estudo: trecho da rua Itabaiana (FONTE: Google Earth, 2015). METODOLOGIA O Modelo de Células MODCEL O MODCEL é um modelo gratuito, desenvolvido na UFRJ, com uma interface acadêmica simples, mas capaz de representar sistemas complexos. Sua construção foi baseada no conceito de células de escoamento. As células interagem umas com as outras compondo uma rede de escoamentos bidimensional, conectada por diferentes leis hidráulicas. Cada célula também realiza uma transformação chuva-vazão. A malha de células resulta em um modelo hidrodinâmico em loop, em uma representação espacial que cobre toda a área da bacia e conecta escoamentos das planícies, canais e galerias, por exemplo. Entretanto, todas as relações matemáticas escritas são unidimensionais. A principal relação de escoamento é a equação dinâmica de Saint-Venant, escrita em sua forma conservativa (VERÓL et al., 2013). Com o objetivo de caracterizar a paisagem urbana, suas estruturas de drenagem e a interação entre todos esses componentes, existe, no MODCEL, uma série de tipos de células e de ligações entre as mesmas, que possibilitam ao usuário representar, de maneira adequada, a realidade física do fenômeno estudado. No MODCEL, podem ser utilizados 5 diferentes tipos de células (tipo 0, 1, 2, 3 e 4). Neste estudo, todas as células utilizadas foram consideradas como sendo do tipo 4, para recepção e transporte de água, com capacidade de armazenamento relativa a eventuais áreas planas (UFRJ, 2003). Das diversas ligações que tentam representar o fenômeno físico do escoamento entre as células, a Tabela 1 apresenta as ligações que foram utilizadas no presente trabalho. Hidrologia adotada no estudo A área de estudo faz parte da bacia do rio Joana, tributário do rio Maracanã, que aflui para o canal do Mangue. Esta área já foi palco de inúmeros trabalhos e estudos, possuindo, bastante informação disponível, incluindo estudos hidrológicos consistidos e calibrados. Para este estudo, a chuva considerada será a associada ao tempo de recorrência de 10 anos, e com duração de 180 minutos (3 horas), que é a duração crítica para a bacia do rio Joana. De acordo com diversos estudos para a região já realizados pelo Laboratório de Hidráulica Computacional da UFRJ LHC/UFRJ, o pluviograma para a área em questão é o apresentado pela Figura 2. Assim, todas as células do modelo receberão uma chuva com as características apresentadas na Figura 2, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 P (mm) P (mm) excetuando-se as células finais de transição e descarga, que receberão precipitação nula. O modelo utilizará o Método Racional para transformar a chuva de entrada em vazão que escoará sobre cada célula. Tabela 1 Exemplos de ligações possíveis do MODCEL (Fonte: autor, baseado em UFRJ, 2003). Ligação Tipo Descrição M2 Entrada para Ligação entre uma célula superficial com a rede de drenagem que corre Microdrenagem subterraneamente através de um determinado número de bueiros. G2 Galeria Apropriada para simular a comunicação entre duas células da rede de drenagem vizinhas cujo escoamento ocorre através galerias F Comporta Este tipo de comporta permite a comunicação apenas em um único FLAP sentido, de acordo com o nível d água entre os corpos d água. O Orifício Ligação que simula o fluxo entre células através de um orifício, nos Clássico dois sentidos de escoamento. V Vertedor Ligação que simula o fluxo entre células através de um vertedouro, podendo ser frontal ou lateral ao sentido do escoamento. P Planície Apropriada para simular a comunicação entre duas células de planície vizinhas cujo escoamento ocorre através de ruas e logradouros. P (mm) Precipitações - TR 10 anos Precipitações - TR 10 anos Figura 2 Pluviograma utilizado na simulação (LHC, 2013). Figura 3 Poços de visita existentes, indicando os trechos e os lotes equivalentes (FONTE: Google Earth, 2015). Figura 4 Divisão dos lotes equivalentes em áreas de quintais e áreas de telhado verde (FONTE: Google Earth, 2015) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Divisão das células e considerações feitas para a modelagem As células foram criadas de modo a representar adequadamente o local de estudo e a estrutura de drenagem existente. Para isto, foram assumidas algumas simplificações, visando evitar que o modelo fique complexo para simular o caso em tela. A ideia foi dividir o local de interesse da rua Itabaiana em trechos e, para cada trecho, representar, por meio de células, os seguintes componentes: a galeria de drenagem, a rua, as calçadas e os lotes equivalentes, sendo esses três últimos as áreas que podem contribuir com vazões para a galeria. Assim, a rua foi dividida em 4 (quatro) trechos, P0-P1, P1-P2, P2-P3 e P3-P4, limitados pelos 5 (cinco) poços de visita identificados no local: P0, P1, P2, P3 e P4, conforme mostra a Figura 3. Como o objetivo do presente trabalho é avaliar os aspectos positivos ao optar-se pela implantação de telhados verdes nos locais onde é possível a implantação dos mesmos, serão modelados dois cenários: a situação atual e considerando a implantação de coberturas verdes. Para isto, cada lote equivalente mostrado na Figura 3 foi representado por duas células, uma que representa a área do lote onde podem ser implantados telhados verdes, e outra, chamada de quintal, que representa a área de telhado em que não é possível a implantação de coberturas verdes e a área de quintal propriamente dita. Essa discriminação do lote equivalente permitirá que os dois cenários sejam avaliados. A Figura 4 apresenta os lotes com a indicação das áreas passíveis de implantação de coberturas verdes (áreas em verde). A Tabela 2 apresenta, de forma resumida, algumas características dos trechos em que o local de interesse da rua Itabaiana foi dividido. Trecho Extensão (m) Área de Rua (m²) Tabela 2 Características dos trechos. Área de Calçada (m²) P0-P P1-P P2-P P3-P Área dos Lotes Equivalentes Nº Quintal (m²) Telhado Verde (m²) Total (m²) Além das células referentes aos quatro trechos em que a rua foi dividida, que é o local de estudo, foram também criadas células a montante do primeiro trecho (P0-P1) e a jusante do trecho final (P3-P4), com a finalidade de trazer as contribuições de montante para o modelo e permitir a descarga a jusante, fora do trecho de interesse. O esquema topológico adotado, com 51 células, é mostrado pela Figura 5. Lado Direito Lado Esquerdo CC00100 CC (P0 - P1) (P1 - P2) (P2 - P3) (P3 - P4) Telhado Quintal Calçada Galeria Rua Calçada Quintal Telhado Figura 5 Esquema topológico para a área de estudo. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 As células 50, 40, 30, 20, 10, 110, 120, 130 e 140 representam a galeria de drenagem existente na rua, com início na cota 42,70 m, na célula 50, e fim na cota 33,09, na célula 130. A primeira fileira, com as células 54, 50, 51 e 53, representa um trecho de 8,00 metros considerado a montante do trecho de interesse, em que serão aplicadas as condições de contorno CC00100 e CC01000, na galeria e na rua, respectivamente. Estas condições de contorno são vazões advindas do trecho a montante da referida rua e foram obtidas pelo Laboratório de Hidráulica Computacional da UFRJ LHC/UFRJ, que, ao modelar o trecho superior desta rua, obteve como resposta, para as mesmas condições hidrológicas (considerando chuva com tempo de recorrência de 10 anos e duração de 180 minutos), as vazões indicadas na Figura 6. Vazões na galeria (m³/s) Vazões na rua (m³/s) P (mm) P (mm) Vazões na galeria (contribuição de montante) - TR 10 anos Vazões na rua (contribuição de montante) - TR 10 anos Figura 6 Vazões advindas do trecho da rua Itabaiana a montante do considerado (LHC,2013). As quatro últimas fileiras do esquema topológico (Figura 5) representam um trecho de transição, sendo a última fileira, com as células 144, 140, 141 e 143, células com grande capacidade de armazenamento e cota de fundo bem baixa, de modo que as células 134, 130, 131 e 133 vertam para essas, respectivamente, e não provoquem oscilações no trecho de interesse. Esse é o exutório virtual do sistema. A partir da concepção do modelo descrito, dois cenários foram simulados. Vale ressaltar que, em ambos os cenários, foi considerado que a área de armazenagem das células de quintal é 30% de sua área total. Essa consideração se deve ao fato de que estas células possuem áreas referentes tanto à parcela de telhado onde não é possível a implantação de telhado verde, quanto à área de quintal. Sendo assim, este fator foi utilizado de modo a estabelecer que 30% da área total destas células referem-se, de fato, ao quintal, e, o restante, aos telhados comuns existentes. O primeiro cenário corresponde a situação atual, sem a existência de telhados verdes. Nesta simulação, foi adotado o coeficiente de runoff de 0,90 tanto para as células de quintal, quanto para as células de telhado verde. Além disso, a área de armazenagem das células de telhado verde foi considerada como sendo 5% da área total da célula. Isso faz com que as células de telhado verde se comportem como um telhado comum, sem capacidade de armazenamento, e com alto índice de escoamento superficial. Já no segundo cenário, é considerada a aplicação de telhado verde em toda a área que foi mapeada como possível de recebê-lo, conforme ilustrado na Figura 4 e apontado na XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Tabela 2. Neste caso, foi adotado o coeficiente de runoff de 0,90 para as células de quintal e de 0,30 para as células de telhado verde, valor este estipulado a partir de diversas referências bibliográficas consultadas para o estudo em tela. Além disso, a área de armazenagem das células de telhado verde é sua área total, caracterizando assim, sua capacidade de reter água de chuva. RESULTADOS As simulações dos dois cenários foram feitas considerando um intervalo de tempo de 300 segundos, com o esquema topológico, hidrologia e condições de contorno detalhadas neste trabalho. Verificando as vazões que ocorrem na galeria de drenagem existente, pode-se observar, de acordo com os gráficos da Figura 7, que a influência dos telhados verdes implantados nos lotes é notada a partir da célula 30 a jusante. Com os resultados, é possível observar que ao implantar os telhados verdes nas áreas possíveis dos lotes, as vazões de pico encontradas na galeria são reduzidas em 2,9% no trecho P1-P2, 11,6%, no trecho P2-P3 e 13,3% ao final do trecho P3-P4. Analisando as cotas dos níveis d água que ocorrem na galeria de drenagem, pode-se constatar, observando os gráficos da Figura 8, que o modelo apresentou oscilações nos últimos minutos de simulação. Pode-se constatar também que as cotas na galeria são, na maior parte do tempo, menores considerando a implantação dos telhados verdes nos lotes. A célula 40, por ser a mais a montante, ainda não sofre muita influência dos telhados implantados, apresentando os níveis de água praticamente iguais, nos dois cenários, ao longo de toda a simulação. No instante t=90 minutos foram observados os maiores níveis d água, tanto na galeria quanto na rua. Neste instante, observou-se que a implantação de coberturas verdes reduziu no trecho P3-P94, o mais a jusante do trecho, aproximadamente, 7 mm da lâmina d água na rua, e 7,5 cm da lâmina d água na galeria de drenagem. Figura 7 Vazões na galeria, com telhado verde com TV e sem telhado verde sem TV. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 Figura 8 Cotas na galeria, com telhado verde com TV e sem telhado verde sem TV. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados obtidos comprovam a premissa inicial de que a implantação de coberturas verdes contribui para a redução do valor da vazão de pico da chuva e podem diminuir os níveis d água das ruas e das galerias de drenagem. A simulação da rua Itabaiana funcionou como piloto de testes. O próximo passo é a expansão do conceito para avaliação de sua aplicação na escala da bacia. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA BAPTISTA, Márcio Benedito; NASCIMENTO, Nilo de Oliveira. (2002). Aspectos Institucionais e de Financiamento dos Sistemas de Drenagem Urbana. RBRH Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Volume 7. Jan/Mar, GARRIDO NETO, Pedro de Souza. (2012). Telhados verdes associados com sistema de aproveitamento de água de chuva: Elaboração de dois projetos para futuros estudos sobre esta técnica compensatória em drenagem urbana e prática sustentável na construção civil. Projeto de conclusão do Curso de Engenharia Civil da Escola Politécnica, UFRJ, Rio de Janeiro. POË, S.; STOVIN, V.; DUNSIGER, Z. (2011). The impact of green roof configuration on hydrological performance. 12th International Conference on Urban Drainage. Porto Alegre/Brazil. Setembro, SILVEIRA, André Luiz Lopes da. (2002) Drenagem Urbana: Aspectos de Gestão. 1 ed f. Apostila do curso Gestores Regionais de Recursos Hídricos, Instituto de Pesquisa Hidráulicas, UFRGS, Rio Grande do Sul. UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro. (2003). Modelação de cheias urbanas Manual do usuário do Modelo de Células de Escoamento. Versão 5.0. Jan/2003. VERÓL, Aline Pires; MIGUEZ, Marcelo Gomes; MASCARENHAS, Flávio Cesar Borba. (2013). Propagação da onda de ruptura de barragem através de um modelo quasi-2d. RBRH Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Volume 18. Jan/Mar, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8