Introdução. Porto Alegre - Bacia do Arroio Areia

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1 Planos diretores de drenagem urbana: Os casos de Porto Alegre e Caxias do Sul - RS - Brasil Adolfo O. N. Villanueva, Rutinéia Tassi e Daniel G. Allasia Instituto de Pesquisas Hidráulicas - Universidade Federal do Rio Grande do Sul Caixa Postal CEP Porto Alegre, RS, Brasil, adolfo@iph.ufrgs.br, rutinei@bol.com.br, dgallasia@yahoo.com Resumo: Nos projetos de drenagem urbana, a prática tradicional tem sido a de ampliação de conduções e traslado da vazão o mais rápido possível da região afetada, resultando freqüentemente na transferência do problema para jusante. Alem de não solucionar realmente os problemas, essa política pode acabar gerando situações insustentáveis, já que o acumulo de vazão nos trechos a jusante da bacia pode exceder em muito a capacidade de escoamento disponível (ou até a possível mediante ampliações). Outro caso que aparece é o de regiões muito planas ou, pior ainda, altas declividades seguidas de regiões planas. Nessas situações acontece uma forte transmissão de efeitos entre diferentes componentes do sistema de drenagem urbano, as vezes muito distantes entre si, e que parecem independentes. Alem desses problemas, ao se considerar as bacias de maneira integral, através de uma divisão criteriosa da cidade, é geralmente possível obter soluções mais eficientes e econômicas. No entanto a palavra chave no controle da drenagem é a planificação, instrumentada através dos Planos Diretores de drenagem urbana, que permite a correção dos problemas na sua etapa inicial diminuindo as intervenções e custos, no futuro. Introdução A prática tradicional em projetos de drenagem urbana tem sido a de ampliação de conduções e traslado da vazão o mais rápido possível da região afetada. O projeto de drenagem é realizado, na maioria das vezes, procurando resolver um problema localizado, não sendo identificados os impactos que essa solução pode gerar nas regiões a jusante. Uma alternativa pode ser aparentemente razoável quando pensada e planejada isoladamente, mas inviável ou ineficiente quando a bacia em conjunto é considerada. Na elaboração dos Planos Diretores de Drenagem Urbana das cidades de Porto Alegre e Caxias do Sul, foi utilizado o conceito de minimizar o impacto a jusante sob um enfoque integrado. Os resultados mostraram que soluções puramente locais teriam sido técnica e/ou economicamente inviáveis. Cabe mencionar que, embora este trabalho se refira às medidas estruturais de controle recomendadas, esse não foi o único enfoque adotado. Nos dois casos mencionados (Porto Alegre e Caxias do Sul), as medidas de controle na fonte, e outras de tipos não estrutural foram também incluídas, principalmente como forma de prevenir o impacto da urbanização futura. Dentre as várias medidas deste tipo sugeridas, destacam-se a educação da população, a taxação da área impermeável, implementação de reservatórios no lote e limitação da ocupação de áreas de risco e cabeceiras, compensando ao dono pelo não uso da terra. Porto Alegre - Bacia do Arroio Areia A bacia do Arroio Areia ocupa uma área de aproximadamente 12 km 2. A região de jusante é a mais densamente urbanizada, com predomínio de zonas comerciais e industriais. A montante a ocupação está se desenvolvendo rapidamente com ocupação predominantemente residencial. Ocorrem problemas generalizados de insuficiência de capacidade de drenagem dos condutos, podendo, em algumas áreas, gerar situações de risco para vidas humanas. Este é o caso da cabeceira

2 da bacia, que é uma região com declividade acentuada, que faz com que os excedentes de água que escoam pela rua atinjam velocidades altas. Nas zonas mais planas, ao contrário, existem diversos locais onde a água permanece parada por um longo período de tempo nas ruas. A permanência da água nas ruas é condicionada pelo acionamento das bombas do sistema de proteção contra enchentes da cidade (Rauber, 1992). Esse sistema prevê que as área localizadas a baixo da cota 9m são drenadas por bombas, e aquelas acima desta cota são drenadas por gravidade. Nesta bacia, aproximadamente 95% da área é drenada por gravidade e o restante pela Casa de Bombas Sílvio Brum. Ambos sistemas confluem para o Rio Gravataí em uma galeria composta por 2 células de 3x3m, com aproximadamente 3 km de comprimento que passa sob a pista do aeroporto de Porto Alegre. Simulação dos cenários Para a elaboração do Plano Diretor de Drenagem Urbana (DEP-IPH, 2000), inicialmente foram definidos os horizontes de projeto que o estudo deveria contemplar. A análise foi realizada para os cenários atual e futuro de ocupação. O cenário atual foi definido a partir da densidade populacional dos bairros da região, obtido com dados do IBGE (1996); já o cenário futuro foi obtido a partir da regulamentação de uso do solo, definida no Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano e Ambiental (PDDUA, 1994 ) da cidade. A bacia foi dividida em 11 sub-bacias, conforme figura 1. O critério de divisão das mesmas foi a identificação da rede macrodrenagem e delimitação da bacia contribuinte em cada trecho. A cada sub-bacia foi atribuído um CN (Curve Number) em função do tipo e ocupação do solo. Com o modelo IPHS1 (Tucci et. al., 1989), foram realizadas as transformações chuva-vazão, utilizando o hidrograma unitário do SCS (Soil Conservation Service) para cada sub-bacia. Os hidrogramas resultantes da simulação foram propagados na rede de macrodrenagem através de um modelo hidrodinâmico (Villanueva, 1990). Foram analisados 5 períodos de retorno respectivamente: 2, 5, 10, 25 e 50 anos. Os resultados das simulações permitiram identificar os pontos nos quais a rede de drenagem é insuficiente. A figura 2 apresenta os pontos com problema na rede para o cenário atual de ocupação, onde pode-se verificar que os condutos foram insuficientes para uma chuva com 2 anos de período de retorno. Para a ocupação futura, a situação seria ainda mais crítica, e as simulações mostraram que a rede atual ficaria gravemente sub-dimensionada.

3 Figura 1 Divisão da bacia

4 Figura 2 Pontos com problemas Alternativas de controle Conforme é visível na figura 2, os problemas são distribuídos dentro da bacia. As intervenções não poderiam ser realizadas de forma pontual, porque toda a rede de drenagem converge para um único sistema de saída, sendo fortemente influenciada pelos condicionantes de jusante da mesma. A primeira alternativa avaliada (Alternativa 1) foi a tradicional, ou seja, a simples ampliação da rede de drenagem. Nessa alternativa, todos os condutos que apresentaram-se insuficientes foram ampliados de forma a dar passagem a toda a vazão que anteriormente ficava armazenada na rua, para um cenário de projeto com 10 anos de período de retorno. A adoção dessa medida apresenta dois problemas: o primeiro é a restrição da vazão de saída da bacia, já que o canal que conduz o escoamento até o Rio Gravataí é longo, e passa sob uma das pistas do aeroporto, tornando-o praticamente inviável de ampliação; o segundo problema é o custo que o conjunto de obras representa. A segunda alternativa avaliada (Alternativa 2) aplica o conceito do controle de enchentes, onde, ao invés de simplesmente ampliar a capacidade de escoamento, procura-se reter os volumes em excesso o mais próximo possível de sua origem, em reservatórios de detenção. O objetivo dos reservatórios é a diminuição dos picos dos hidrogramas gerados na bacia, para retardar os volumes escoados, procurando eliminar a necessidade de ampliação da rede de drenagem local e os condutos de jusante. Os reservatórios foram dimensionados para um período de retorno de 10 anos, adotado de acordo com a literatura (Tucci, 1993).

5 Os possíveis locais de implantação de detenções na bacia do Areia foram obtidos fundamentalmente com visitas a campo, apoiadas em mapas e imagens de satélite, e estão apontados na figura 3. Os reservatórios foram dimensionados considerando o funcionamento hidráulico e o espaço disponível. A maioria dos reservatórios é do tipo off-line, ou seja, providos de uma estrutura do tipo by-pass, que permite a passagem direta do escoamento até um valor de vazão limite, a partir do qual é permitida a entrada do escoamento para o reservatório. A implantação de detenções na bacia possibilitou a manutenção das dimensões atuais dos principais condutos de saída (condutos forçados), além de permitir que eles trabalhem com cargas menores. No entanto, não eliminou a necessidade ampliação de trechos em diferentes regiões, dado que a limitação de espaço livre disponível para os reservatórios condiciona a capacidade de amortecimento dos mesmos. Figura 3 Localização dos reservatórios Para ilustrar o resultado das análise acima mencionadas, pode-se citar o caso da sub-bacia da Av Teixeira Mendes (região de cabeceira da bacia), caracterizada por apresentar uma declividade

6 muito acentuada, e baixa capacidade dos condutos da rede de drenagem. A alternativa de simples ampliação já havia sido analisada em um estudo anterior, onde não foram contemplados os impactos a jusante gerados pelo acréscimo de vazão. Visto que os condutos a jusante da sub-bacia não possuem capacidade suficiente para escoar a vazão que atualmente chega aos mesmos, se deduz facilmente, que a simples ampliação dos condutos na sub-bacia não conseguiria resolver os problemas de alagamentos. O impacto resultante da ampliação da rede na região da Av. Teixeira Mendes pode ser visto na figura 4, para ocupação atual, onde a diferença entre os hidrogramas para os condutos atuais e ampliados fornece uma idéia do volume de água que não consegue entrar nos condutos, e que portanto, se acumula na bacia ou escoa pelas ruas. O aumento no pico do hidrograma na ampliação é da ordem de 2,50 vezes. Figura 4 - Hidrogramas nos condutos atuais, ampliados e com detenções para 10 anos futuro - Bacia Av. Teixeira Mendes A figura 5 mostra a bacia da Av. Teixeira Mendes e os reservatórios projetados. Os locais utilizados para detenção são, na medida do possível, áreas públicas, como parques e praças, evitando assim a necessidade de desapropriação.

7 Figura 5 Localização dos reservatórios na bacia Teixeira Mendes O efeito resultante da aplicação da alternativa 2 na bacia do Arroio Areia pode ser visto na figura 6, onde a vazão de pico do hidrograma tem uma redução de aproximadamente 2 vezes em relação à alternativa de ampliação. Figura 6 hidrograma comparativo de saída da bacia do arroio Areia Avaliação econômica das alternativas Uma comparação dos custos de implantação das alternativas é mostrada na tabela 1. A alternativa 1 apresentou um custo final 87% maior que a alternativa 2.

8 Além do custo, cabe ressaltar que a alternativa 2 apresenta um impacto menor no meio natural que a alternativa 1, pois conserva os trechos de leito natural do arroio, não transfere o problema para os pontos de jusante, causa menores transtornos à população que circula na região das obras e menor interferência no tráfego. A vazão máxima que chega nas galerias de saída da bacia na situação atual (TR 10 anos) é de 30 m³/s; ao considerar este valor deve-se levar em conta que os alagamentos fazem a bacia funcionar como um grande reservatório de detenção. Tabela 1 Estimativa de custos das alternativas Alternativa Vazão máxima (m³/s) Custo (R$) 1 Alternativa de canalização Detenção e aumento da capacidade dos condutos em alguns trechos Na sub-bacia da Av. Teixiera Mendes, mencionada anteriormente, verifica-se a tendência da bacia do Areia. Além de resultar em diminuição das vazões de pico, a utilização dos reservatórios resultou em um custo 50% menor (R$ ) que aquele da alternativa convencional de ampliação (aproximadamente R$ ). Dessa forma, a alternativa 2 apresentou importantes vantagens, sendo a medida recomendada. Caxias do Sul Caxias do Sul tem uma população de aproximadamente hab., e constitui um importante pólo de desenvolvimento industrial no interior do estado de Rio Grande do Sul (Brasil). A forte dinâmica de crescimento da cidade, aliada à falta de planejamento, resultou na ocupação indiscriminada das margens dos cursos de água. Os arroios da cidade correm encaixados entre casas, ou por baixo de prédios industriais, recebendo o esgoto sanitário cru do sistema misto. Isto significa que um grande número de moradias está em situação de risco e com deficientes condições de salubridade. Portanto, a concepção das soluções propostas no Plano Diretor de Drenagem Urbana (SAMAE-IPH, 2001) conciliou os aspectos de drenagem pluvial e esgotamento sanitário. As propostas para resolver os problemas do esgotamento pluvial devem levar em conta o tratamento de esgotamento sanitário e vice-versa.

9 Fig. 7. MNT de Caxias do Sul A necessidade de um enfoque integrado do esgotamento pluvial, é reforçada aqui pelas características do relevo, que causam um alto grau de transmissão de efeitos entre os diversos braços da rede de macro-drenagem (fig 7). Regiões de altas declividades são seguidas de regiões planas, gerando uma forte transmissão de efeitos entre diferentes componentes do sistema de drenagem urbana, as vezes muito distantes entre si, e que parecem independentes. O primeiro passo no desenvolvimento do estudo, igualmente ao caso citado para Porto Alegre, foi a obtenção dos dados climáticos, topográficos e características da rede de drenagem. A indisponibilidade dos dados climáticos no prazo do estudo, obrigou ao uso das curvas intensidadeduração-freqüencia (IDF) desenvolvidas por Pfasteter (1957), que dada a sua antigüidade, foram comparadas com estudos recentes (Lawson et. al., 1991) em regiões vizinhas, não indicando variação apreciável das condições. As sub-bacias que compõem o sistema de macrodrenagem pluvial foram determinadas em forma análoga ao realizado na bacia do Areia. Os dados e indicadores de população dos bairros subministradas pelo IBGE, permitiram estimar a população atual e para o horizonte de projeto, com partir a qual foi determinada a área impermeável das bacias, aplicando a metodologia proposta por Campana e Tucci (1994). Com a área impermeável das bacias, foram determinados os parâmetros do escoamento na bacia com os quais simulou-se a vazão correspondente à chuva de projeto no modelo IPHS1 (Tucci et. al, 1989). Já a propagação da vazão através da rede de condutos foi realizado usando um modelo hidrodinâmico (Villanueva, 1990). A calibração dos resultados foi qualitativa, como conseqüência da falta de dados de vazão para uma avaliação quantitativa. O estudo se concentrou em três sistemas principais de macro-drenagem: Os sistemas Tega, Floresta e Pinhal (fig. 7), sendo apresentado neste trabalho o sistema Tega dado que apresenta a maior quantidade de alternativas de controle. Sistema Tega

10 O sistema Tega (fig. 8) é a principal bacia de macrodrenagem da cidade de Caxias do Sul. É composta de quatro sub-bacias principais: ao norte a sub-bacia Maestra, ao nordeste a Dalbó, ao leste a sub-bacia Lazer e ao sul o centro comercial de Caxias do Sul. Como pode ser visto na figura 7, as sub-bacias têm cursos de água encaixados, com fortes declividades nas áreas de cabeceira, e baixas declividades na região a jusante, onde elas confluem, e o arroio passa a ser denominado Herval. Isto provoca uma situação extremadamente crítica para o escoamento, dado que as águas descem com alta velocidade, acontecendo o encontro das mesmas na região plana. Assim, a bacia tem uma alta velocidade de resposta nas áreas da cabeceira, que se contrapõe com a baixa capacidade dos condutos na região plana, impedindo a drenagem de toda a água precipitada na sub-bacia. Figura 8: Sistema Tega O encontro das águas na região plana gera um efeito de remanso que reduz a capacidade de escoamento por centenas de metros a montante, provocando contínuos alagamentos nas regiões próximas aos arroios. A região plana também atua como um nó, que transmite os efeitos de uma subbacia para as outras, mesmo em regiões bastante a montante, indicando a necessidade de uma abordagem integrada. A análise dos sistemas isolados, sem considerar os efeitos de remanso não mostra a existência de problemas sérios para a drenagem, e conduziria a soluções ineficientes, pois os problemas seriam talvez atenuados, mas continuariam existindo. Como exemplo dessa situação, pode ser citado o trecho a montante do ponto onde a bacia Maestra encontra os cursos de água que vêm das bacias Dalbó e Lazer (fig. 8). Na figura 9b (gráfico da direita) pode se ver como os níveis de água atingem quase a borda do canal para a condição de projeto, mas a vazão é aproximadamente a metade da capacidade do canal (calculada considerando a linha de água paralela ao fundo). Se o cálculo tivesse sido feito da maneira tradicional, sem considerar o efeito de remanso causado pelo encontro das vazões e pela baixa capacidade de escoamento dos trecho a jusante, o canal teria sido sub-dimensionado.

11 Figuras 9a) e 9b): Condições de escoamento a montante da entrada da bacia Maestra. Outra região com problemas semelhantes é a bacia que abrange o centro comercial de Caxias. A região tem o agravante da alta densidade de ocupação e de trechos com declividade muito baixa, que exigem grandes canais para a drenagem da região, combinado com a falta de espaço para soluções tipo reservatórios de detenção. Alternativas de controle Nesta bacia foram avaliadas as mesmas alternativas apresentadas para a bacia do Areia: a Alternativa 1 ou tradicional, ou seja, a simples ampliação da rede de drenagem; e a Alternativa 2 ou impacto zero a jusante. A alternativa 1 é inviável pela sincronização dos hidrogramas das bacias, que chegam quase simultaneamente na região plana. Na figura 10, pode-se observar os hidrogramas atual e futuro para as alternativas de ampliação de rede e controle mediante reservatórios. Fig. 10. Vazões na saída do Sistema Tega, situação atual, alternativa de controle e alternativa de ampliação da rede.

12 Na alternativa 2, onde são minimizados os problemas derivados do sincronismo dos hidrogramas, os reservatórios de detenção (fig 11) foram implementados maioritariamente nas regiões norte e leste do sistema Tega, onde existe mais espaço disponível para a construção dos mesmos. Os reservatórios amorteceriam os hidrogramas gerados nessa região, ao mesmo tempo em que a água do centro seria escoada rapidamente, mediante túneis e galerias, até regiões a jusante da entrada do sistema no arroio Herval. A solução formulada evita o problema causado pela sincronização dos hidrogramas das bacias, que chegam quase simultaneamente na região plana. Fig. 11. Esquema de um reservatório de detenção tipo. Avaliação econômica das alternativas A análise econômica mostrou que a solução tradicional de simplesmente ampliação da rede, mesmo sem considerar reservatórios para o controle dos impactos a jusante (R$ 25 milhões), resulta 25% mais cara que a solução tecnicamente mais racional de implementação de reservatórios ao longo da rede (R$ 20 milhões), sendo que dadas as condições de ocupação da bacia, o custo de desapropriação representa 50% do custo de implementação dos reservatórios. No processo de dimensionamento do sistema de canais e reservatórios foi visível a alta correlação de efeitos entre as sub-bacias. Mudanças relativamente pequenas nas características de um reservatório, ou de um canal, resultavam na necessidade de revisar o dimensionamento dos restantes, mesmo que em lugares distantes da rede de drenagem. O controle do esgoto Para melhorar a qualidade da água, e dada a impossibilidade prática de, a curto prazo, estabelecer separador absoluto de esgoto na totalidade cidade, foi estabelecida a instalação de interceptores do esgoto (fig. 12). Inicialmente a implementação seria nos braços principais, mas com capacidade de ramificação a montante, onde seriam instauradas redes de separação absoluta. Os interceptores permitiriam o tratamento do esgoto, assim como um tratamento parcial do first flush.

13 Fig. 12. Esquema de um extravasor. Conclusões Da análise dos casos apresentados, resulta que a planificação do crescimento urbano constitui a melhor maneira de evitar problemas e soluções caras na drenagem. Tanto quanto antes se intervenha sobre os problemas, menores os custos e impactos para as gerações seguintes. O controle do escoamento mediante reservatórios de detenção para ambas bacias, mostrou-se como a melhor alternativa de controle, tanto técnica como econômica. Deve-se considerar que esta opção tem sua vantagem econômica altamente dependente da existência de terrenos públicos ou baratos. A análise integral da bacia é necessária para determinar as verdadeiras causas dos problemas de drenagem urbana; e assim, agir sobre elas e não sobre os sintomas, especialmente em situações complexas. Alem disso, trabalhando dessa maneira é possível chegar a soluções mais eficientes e econômicas, adequadas às características da bacia e de seus problemas. Os Planos Diretores de Drenagem Urbana constituem a ferramenta de implementação do estudo integral da bacia, fundando as condições de contorno para a resolução dos problemas em escalas menores, evitando desta forma que soluções para áreas específicas transfiram os problemas para as regiões vizinhas. A importância dos efeitos de remanso do caso citado em Caxias do Sul (e outros semelhantes encontrados em Porto Alegre), mostram a necessidade de verificar sistematicamente a existência desses efeitos. Isso pode ser feito com ferramentas tradicionais, como a análise da linha de energia, ou com outras mais sofisticadas como modelos hidrodinâmicos de redes. A metodologia adotada dependerá da complexidade do caso a analisar. No entanto, verifica-se que a tendência atual é simplesmente ignorar a existência desses efeitos, obtendo resultados altamente tendenciosos. Referências Bibliográficas

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