INFLUÊNCIA DA SÉRIE DE PRECIPITAÇÃO E DEMANDAS NA EFICIÊNCIA DE RESERVATÓRIO DE APROVEITAMENTO DE ÁGUA DA CHUVA

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1 INFLUÊNCIA DA SÉRIE DE PRECIPITAÇÃO E DEMANDAS NA EFICIÊNCIA DE RESERVATÓRIO DE APROVEITAMENTO DE ÁGUA DA CHUVA Carla Fernanda Perius¹, Daniel Allasia Piccilli², Rutinéia Tassi³; Regina Cadore 4 Resumo: O aproveitamento de água da chuva (AAC) para usos não potáveis vem merecendo destaque como uma alternativa para a redução do consumo de água tratada, especialmente diante de um cenário de escassez hídrica. Um componente de extrema importância no ACC é o reservatório, que garantirá o armazenamento de água para os dias não chuvosos. Assim, é necessário que seu volume seja corretamente definido, em razão das demandas previstas na edificação, área de captação das águas pluviais e da série de precipitações do local. Neste contexto, este trabalho buscou analisar a influência das séries históricas de precipitação e de demandas na garantia de atendimento, proporcionada por diferentes volumes de reservatórios. Assim, foi realizada uma sequência de 64 simulações de longo prazo, com dois volumes de reservatório (5000L e L), para diferentes demandas e séries de precipitação, considerando áreas de captação das águas de chuva de 200m 2 e 400m 2, em um lote fictício na cidade de Porto Alegre-RS. Verificou-se uma evidente influência da série de demandas na eficiência dos reservatórios simulados. Com relação à influência da série de precipitação, identificou-se que a eficiência é dependente da condição inicial de armazenamento, especialmente para séries históricas que possuem período seco no princípio da série. Palavras-chave: Aproveitamento de água de chuva, eficiência, séries de precipitações e demandas. PRECIPITATION TIME SERIES AND WATER DEMANDS INFLUENCE IN THE EFFICIENCY OF A RAINWATER HARVESTING RESERVOIR Abstract: The rainwater harvesting (RH) for non-potable uses has been receiving attention as an alternative to reduce treated water consumption, especially on a water scarcity scenario. An important element in the rainwater harvesting (RH) system is the storage tank because it provides water during non-rainy days. Therefore, it is important to set the volume accordingly forecasted water demand for buildings, catchment area and precipitation time series. In this context, the main purpose of this study was to analyze the influence of rainfall time series and water demands, provided by different volumes of reservoirs. Thus, a sequence of 64 long-term simulations were performed for two reservoir volumes (5000L and L) for different water demands and precipitation time series, considering the following catchment areas 200m² and 400m² for a fictional site located in Porto Alegre, Rio Grande do Sul. The results pointed out that the water demands series influenced clearly the efficiency of the simulated reservoir. Regarding the influence of the precipitation time series, it was clear that the efficiency is dependent on the reservoir initial condition, especially for time series that have dry period at the beginning. Keywords: Rainwater harvesting, efficiency, precipitation time and demands series, ¹ - UFSM; carlafperius@gmail.com ² - UFSM; dallasia@gmail.com ³ - UFSM; rutinéia@gmail.com 4 - UFSM; recadore@gmail.com XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1. INTRODUÇÃO Apesar de parecer algo novo, a utilização da água da chuva pelo homem para a produção de alimentos, criação de animais e até mesmo consumo humano advém de mais de anos (Tomaz, 2003). Porém, apenas nos últimos tempos, a captação e o aproveitamento de águas pluviais para fins não potáveis tem surgido como uma nova alternativa para a gestão sustentável da água, permitindo a diminuir a utilização de água tratada, preservando, assim, fontes não renováveis, a exemplo dos aquíferos confinados (Hentges, 2013). O aproveitamento de água da chuva destina-se, principalmente, para os usos não potáveis, como por exemplo, descarga de vasos sanitários, lavagens de carros e calçadas e irrigação de jardins, já que a poluição do ar, entre outros fatores, dificulta o aproveitamento da água da chuva para fins potáveis (Immich, 2011). No entanto, isso não diminui a sua importância, já que segundo a Group Raindrops (2002), 22% do consumo de água de uma residência é proveniente da descarga do vaso sanitário e, em muitos dos casos, esta demanda poderia ser totalmente suprida pela água da chuva, reduzindo consideravelmente as despesas com água potável. Além desses aspectos, deve-se destacar que, especialmente no semi-árido brasileiro, a água da chuva é utilizada para consumo humano (Cáritas brasileira, 2001). Um sistema de aproveitamento de água da chuva consiste basicamente em quatro itens: (a) superfície de captação das águas da chuva; (b) sistema de condução de águas pluviais; (c) reservatório para armazenamento; e (d) sistema de distribuição até os pontos de utilização. A reservação é, provavelmente, o item de maior peso no custo do sistema, merecendo, portanto, especial atenção (Ayub et. al., 2005), já que a ideia básica é de que quanto mais água de chuva se armazenar, melhor será o atendimento às demandas previstas. Porém, tal conceito pode inviabilizar a implantação do sistema, já que a aquisição ou construção de reservatórios de grandes proporções, na maioria das vezes com capacidade ociosa, acarretará, além de um custo significativo, senão proibitivo, um problema de espaço físico para sua implantação. Assim, o volume do reservatório deve ser otimizado, de forma a não ser excessivamente grande e caro, e tampouco muito pequeno e insuficiente no cumprimento ao atendimento às demandas. Esse dimensionamento é condicionado por um conjunto de fatores que inclui (Cohim et. al., 2007): a área de captação, a quantidade de água da chuva e o consumo. Portanto, devem ser investigados diferentes volumes de reservação frente à série de precipitação local, características de demanda e área de captação, e identificado aquele(s) passíveis de instalação (Gerolin et. al., 2010). Segundo estudo realizado por Amorim e Pereira (2008), em que foram comparados os métodos de dimensionamento para reservatórios utilizados em aproveitamento de água pluvial, verificou-se que é recomendável utilizar o método da simulação, quando se deseja uma melhor investigação do funcionamento do reservatório ao longo dos anos. A simulação permite analisar vários volumes, e determinar as respectivas eficiências, com relativa simplicidade em relação a outros métodos; dessa forma, é possível selecionar o volume em razão da eficiência desejada. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Neste contexto, este trabalho buscou analisar a influência da série histórica de precipitação e da série de demanda na eficiência de um reservatório do sistema de Aproveitamento de Água de Chuva (AAC), utilizando para isso, dados disponíveis para o município de Porto Alegre-RS. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O método da simulação consiste em um balanço hídrico de longo prazo, (Método da Simulação: ABNT Norma 15527/ 2007) para avaliar o comportamento do reservatório frente a série de precipitações e demandas, conforme as equações (1) e (2), S Q S D (1) ( t) ( t) ( t 1) ( t) Q( t) C P( t) A (2) em que: S(t): Volume de água armazenado no reservatório no tempo t ; S(t-1): Volume de água armazenado no reservatório no tempo t-1 ; D(t): Demanda de água para usos não potáveis ou consumo no tempo t ; Q(t): Volume de água da chuva captado no tempo t ; C: Coeficiente de escoamento superficial, adotado igual a 0,95 para superfícies impermeáveis; P(t): é a precipitação observada no intervalo de tempo t ; A: é a área de captação. Para fins de simulação, o reservatório foi considerado inicialmente cheio, seguindo a recomendação da ABNT-Norma /2007. Para a realização deste estudo, considerou-se um lote fictício, no município de Porto Alegre, com duas diferentes áreas de captação das águas pluviais: 200 m² e 400 m². Para cada uma das áreas de captação foram avaliados dois volumes de reservatórios (5000 L e L). A série histórica de precipitação utilizada no estudo é contínua, com discretização temporal de 5 minutos, e possui 12 anos de dados ( ), obtida em um pluviógrafo do INMET, localizado no aeroporto da cidade de Porto Alegre. A caracterização da série de precipitações foi realizada por meio dos totais anuais e precipitação média anual. A influência da série de precipitação foi avaliada mediante simulação que considerou a simulação da série real, iniciando no ano 1 (1975) e finalizando no ano 12 (1986), mais 11 séries geradas a partir da série real, formuladas por meio do reordenamento dos anos na série. As séries geradas seguiram o seguinte procedimento: Série 2: iniciando no ano 2 (1976) e terminando no ano 1 (1975), ie., 1976, 1977, 1978,..., 1986, 1975; Série 3: iniciando no ano 3 (1977) e terminando no ano 2 (1976), ie., 1977, 1978, 1979,...,1986, 1975, 1976; XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 e assim por diante, até a série 12, que inicia no ano 12 (1986) e termina no ano 1 (1975). Assim, é possível avaliar se existe alguma interferência na simulação, com as diferenças de anos com cheias e secas. Com relação à série de demandas, foram considerados os valores de Hentges (2013), que gerou séries considerando o uso da água da chuva na descarga bacia sanitária (6 L/descarga), na irrigação de jardim (190 L/10min), lavagem de veículos (220L/30min) e limpeza das calçadas (280 L/30min). Para fins de análise, considerou-se que em cada edificação simulada, a população média é de 5 pessoas. Com relação à sazonalidade da série de demanda, foram estabelecidos diferentes padrões de consumo conforme a estação do ano, o que determinará maior ou menor consumo de água, conforme descrito por Hentges (2013), e apresentado na Tabela 1. A irrigação do jardim, foi considerada apenas nos meses de Janeiro, Fevereiro, Novembro e Dezembro, caso não houvesse ocorrido nenhum evento de precipitação em dois dias consecutivos. Nos meses restantes, a irrigação foi realizada, caso não ocorresse nenhum evento de precipitação durante a semana anterior à irrigação. Essa consideração foi realizada devido à localização do lote hipotético no estado do Rio Grande do Sul, que possuiu clima sub-tropical úmido, com precipitação uniforme ao longo do ano e temperaturas elevadas nos meses de verão e temperaturas mais amenas nos demais meses do ano. Portanto, o volume da demanda varia todos os meses, conforme os usos, e durante todos os anos, pois, a irrigação não é realizada de forma fixa, e sim a partir dos dias antecedentes sem precipitação. Tabela 1 - Descrição da demanda sazonal de usos não potáveis na residência simulada Frequência Mês Irrigação de Jardim Limpeza de Calçadas Lavagem de Veículos Descarga da Bacia Sanitária Janeiro Dia alternado Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Fevereiro Dia alternado Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Março Semanal Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Abril Semanal Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Maio Semanal Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Junho Semanal Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Julho Semanal Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Agosto Semanal Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Setembro Semanal Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Outubro Semanal Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Novembro Dia alternado Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Dezembro Dia alternado Quinzenal Quinzenal 4 x /dia/pessoa Fonte: Hentges, 2013 Para determinar a influência da série de demandas na eficiência do reservatório, foram avaliadas quatro séries distintas de demandas, simuladas com a série real de precipitação: i) demanda 1: representa todos os usos (descarga, irrigação, lavagem de veículos e limpeza); XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 ii) demanda 2: representa apenas o consumo da bacia sanitária. iii) demanda 3: representa pelos usos externos (irrigação, lavagem de veículos e limpeza); iv) demanda 4: representa apenas a irrigação. No total, foram realizadas 48 simulações (12 séries de precipitação x 2 áreas de captação x 2 volumes de reservação) considerando a série de demandas 1, a fim de analisar a influência da série histórica de precipitações, e 16 simulações (4 diferentes demandas x 2 áreas de captação x 2 volumes de reservação) e a série real de precipitação, a fim de avaliar a influência da série de demandas. Ao final das simulações, foi determinada a porcentagem de falha de atendimento às demandas previstas em cada simulação. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A partir da série histórica foi determinada a precipitação total anual, conforme pode ser observado na Figura 1. A média da precipitação ao longo dos 12 anos foi de 1281,175 mm. O maior total anual precipitado foi de 2182,8 mm de chuva, que ocorreu no ano de 1984, apresentando aproximadamente 900 mm de chuva a mais que a média. O menor total anual precipitado foi no ano de 1979, com 785,75 mm de chuva, o que representa aproximadamente 500 mm de chuva a menos que a média dos doze anos. Figura 1 Chuva total anual de cada ano da série histórica Influência da Série de Demanda Na Figura 2, é possível analisar a influência da série de demandas na eficiência dos reservatórios simulados no atendimento à demanda. Neste caso, é possível perceber que conforme as demandas aumentam, para um mesmo volume de reservação, ocorre um aumento na falha de atendimento à demanda. Isto é, o reservatório de 5000 L simulado com a demanda 1 gerou um maior percentual de falhas, para ambas áreas de cobertura. Também é possível perceber que nas condições apresentadas, quando simulado para o uso externo (demanda 3) e irrigação (demanda 4), a falha no atendimento à demanda é quase nula, em razão do menor consumo de água para esses usos. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Ao avaliar a eficiência de um reservatório de L, por exemplo, para uma mesma área de captação, verifica-se que, há uma menor quantidade de falhas no atendimento à demanda, comparativamente a um reservatório de 5000L, o que era esperado. Destaca-se, no entanto, que simplesmente aumentando o volume do reservatório para uma mesma área de captação, seria possível aumentar as demandas a serem supridas. Percebe-se que as falhas foram relativamente baixas, não inviabilizando, portanto, o uso para os fins previstos. Além disso, um reservatório de volume menor, e por consequência mais barato, poderia ser usado neste caso. O número de falhas neste, aumentaria, porém, ainda estaria dentro de um valor aceitável de falhas (15% a 20% de falhas). Figura 2 - Influência da série de demandas na eficiência dos reservatórios de 5000L e L para áreas de captação de 200m 2 e 400m Influência da Série Histórica de Precipitações Na Figura 3, é possível analisar a influência da série histórica de precipitações na eficiência dos reservatórios simulados. Neste caso, é possível perceber pouca variabilidade na falha de atendimento à demanda, em razão da baixa variabilidade sazonal da precipitação. É possível perceber que a única diferença no atendimento à demanda dá-se quando o ano de menor precipitação da série (1979) é o primeiro ano de simulação, o que ocorreu na série 5. Isto pode ser uma consequência da consideração do reservatório como cheio no início da simulação, evidenciando a influência da condição inicial do reservatório no resultado da simulação. No reservatório de 5000 L, é possível perceber uma falha de atendimento variando de 8,5% a 5%, para a área de contribuição de 200 m 2, enquanto para uma área de 400 m2, o percentual de falhas reduziu para valores da ordem de 7% a 4,5%, dependendo da série simulada. Já, no caso do reservatório de L, a falha ao atendimento à demanda cai significativamente, em torno de 1%, até nenhuma falha computada para as diferentes áreas de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 captação. Porém, com a simulação de diferentes séries de precipitação, não foi possível notar nenhuma mudança significativa no atendimento às demandas. Figura 3 - Influência da série histórica de precipitações na eficiência dos reservatórios de 5000L e L para áreas de captação de 200m 2 e 400m 2 Quando observado as diferentes simulações, é possível perceber, porém de forma bem amena, uma diferença na eficiência de atendimento a demanda. Quando a simulação inicia-se em um ano mais seco, as falhas ao atendimento a demanda reduzem, em virtude da simulação com a condição inicial de reservatório cheio. 4. CONCLUSÕES A influência da série de demandas na eficiência de reservatórios de aproveitamento de água da chuva, na garantia do atendimento foi demonstrada mediante o processo de simulação. Verificouse que, quanto maior a área de captação de água de chuva e menor a demanda, menor será a falha ao atendimento de água pluvial. As falhas ao atendimento à demanda foram baixas, quando analisada a influência da série de demandas, isto se deve ao local de estudo possuir um regime de precipitação pouco variável ao longo do ano, portanto não é necessário um armazenamento de água para longos períodos de estiagem. Quando analisadas as falhas pelos diferentes usos de água, é possível perceber que a bacia sanitária representa a maior parcela do consumo de água simulado. Quando simulado os usos externos e apenas a irrigação, percebe-se que as falhas diminuem, consideravelmente, em virtude do consumo de água ser menor e de que o uso é eventual, conforme os dias antecedentes sem chuva. Já na análise da influência da série histórica de precipitações, não foi possível encontrar mudanças significativas na eficiência dos reservatórios. Acredita-se que isso deve-se à distribuição uniforme de precipitação ao longo do ano, no local selecionado para estudo de caso. As falhas ao atendimento à demanda reduziram, conforme o aumento do volume de reservatório ou da área de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 captação. Quando simulado o ano de menor precipitação como o ano 1 da série (série 5), observouse a maior diferença nos resultados, evidenciando, assim, a interferência da condição inicial do reservatório, neste caso, considerado como cheio. Portanto, estudos futuros em regiões que apresentem sazonalidade marcada deverão ser realizados, de forma a analisar a influência da série de precipitação na eficiência da reservação. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas. (2007). NBR 15527: Água de chuva - Aproveitamento de Coberturas em Áreas Urbanas para fins não potáveis Requisitos. Rio de Janeiro. AMORIM, S. V. e PEREIRA, D. J. A. (2008). Estudo comparativo dos métodos de dimensionamento para reservatórios utilizados em aproveitamento de água pluvial. Porto Alegre: Ambiente Construído, v. 8, n. 2, p AYUB, O.; CASTRO, R.S.S.S.; REBELLO, G. A. O.; ZANELLA, L.; ALVES, C.W.; MARQUES, R.B. (2005). Aproveitamento de Água da Chuva: Reflexões e Necessidades. 5º Simpósio Brasileiro de Captação e Manejo de Água da Chuva. CÁRITAS BRASILEIRA CPT FIAN/Brasil. (2001) Água de Chuva: o segredo da convivência com o Semi-Árido brasileiro. Paulinas, São Paulo. 104p. COHIM, E., GARCIA, A. P., KIPERSTOCK, A. (2007). Captação de chuva no meio urbano para usos não potáveis. VI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Belo Horizonte, MG. GEROLIN, A.; KELLAGHER, R. B.; FARAM, M. G. (2010) Rainwater harvesting systems for stormwater management: feasibility and sizing considerations for the UK. NOVATECH. GROUP RAINDROPS. (2002). Aproveitamento de Água da Chuva. Curitiba. Organic Traging. HENTGES, S. C. Efeito de Reservatório de Aproveitamento de Água de Chuva sobre Redes de Drenagem Pluvial. Dissertação (Mestrado) Engenharia Civil, Área de Concentração em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental Universidade Federal de Santa Maria, IMMICH, E.G.J. Eficácia de Sistema de Aproveitamento de Água da Chuva: Efeito do Tamanho da Série de Precipitações. Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil. Universidade Federal do Rio Grande do Sul TASSI, R. Efeito dos Microrreservatório de Lote sobre a Macrodrenagem Urbana. Dissertação (Mestrado) Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental Universidade Federal do Rio Grande do Sul, TOMAZ, P. (2003). Aproveitamento de Água de Chuva para Áreas Urbanas e Fins Não Potáveis. Navegar Editora, São Paulo. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8