SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS. Bacias BACIAS DE RETENÇÃO. Vantagens Custo Flexibilidade de ampliação

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1 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Bacias BACIAS DE RETENÇÃO Vantagens Custo Flexibilidade de ampliação Objectivos ART. 176º redução dos riscos de inundação criação de zonas de lazer (para a pesca e canoagem ) criação de reservas de água (agricultura, combate a incêndios, indústria, limpezas municipais - arruamentos e parques ) protecção do meio ambiente (redução de SST e matéria orgânica) DU - 42

2 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Bacias Tipos ART. 177º quanto à localização - bacias em série ( online e offline ) - bacias em paralelo (relativamente ao colector ou vala de acesso) quanto à implantação - bacias a céu aberto a seco com nível de água permanente - bacias enterradas (reservatórios) A seco ou não? Opção em função de: objectivos (qualidade da água, recreio, ) nível e flutuações sazonais do aquífero subjacente permeabilidade disponibilidades financeiras Bacias a seco menores exigências em termos construtivos financeiros não requerem níveis freáticos elevados ( alimentação constante ) DU - 43

3 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Bacias Constituição ART. 178º Corpo da bacia fundo e bermas de terra taludes revestidos com cobertura vegetal (integração paisagística) Dispositivos de descarga Dispositivos de segurança descarga de fundo obra de entrada e de saída colector descarregador de superfície Implantação da bacia de detenção aproveitar zona com depressão natural (aprofundar!) à entrada da bacia de retenção construir uma câmara em betão (evitar o descalçamento da conduta e/ou a sua obstrução com terra e outros sedimentos) traçar perfis transversais e longitudinais para construir a curva de volumes armazenados (calcular volume de água armazenado para diversas alturas de água) verificar para que altura de água se assegura o volume de dimensionamento DU - 44

4 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Bacias Aspectos construtivos ART. 180º Bacia a seco inclinação do fundo 5/100 (evitar a formação de zonas alagadas); inclinações máximas dos taludes das bermas de 1/6 ou 1/2 (respectivamente para os casos de acesso público ou não). DU - 45

5 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Bacias Bacia com nível de água permanente: altura de água mínima de 1,5 m (evitar um excessivo desenvolvimento de plantas aquáticas e de assegurar eventual vida piscícola) garantir um tratamento conveniente das bermas (taludes relvados, etc ) DU - 46

6 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Bacias Qualidade da água Melhoria da qualidade das águas afluentes Ocorrem transformações de natureza física, química e microbiológica Efeitos típicos: sedimentação dos sólidos em suspensão redução da turvação da água variação do OD da massa líquida balanço entre os inputs (rearejamento e fotossíntese) e o consumo variação da concentração de nutrientes (N, P) efeito das plantas redução de microrganismos radiação solar, competição biológica, temperatura e sedimentação DU - 47

7 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Bacias Dimensionamento hidráulico ART. 179º Objectivo: determinar o volume de armazenamento necessário para que o respectivo caudal efluente seja semelhante ao que ocorreria na bacia natural (AI = 0 %). T = 10 a 50 anos (usualmente) Método simplificado (ABREU, 1983) ou método holandês Baseia-se no conhecimento das curvas IDF da precipitação na zona em estudo Permite calcular o volume necessário para armazenar o caudal afluente resultante da precipitação crítica, de período de retorno T, para garantir um caudal constante q, correspondente à capacidade máxima de vazão da estrutura de drenagem a jusante. Método expedido adequado ao pré-dimensionamento da bacia de retenção. Dados: A, C da bacia drenada parâmetros da curva IDF caudal efluente q (constante) procedimento não conservativo DU - 48

8 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Bacias DU - 49

9 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Bacias Método de PULS Baseia-se na resolução numérica da equação da conservação dos volumes ou equação de continuidade aplicada à bacia de retenção Permite resolver as situações mais complexas (ex.: não constância do caudal descarregado) Dados: hidrograma de escoamento de entrada ou afluente lei de descarga do caudal efluente lei de armazenamento = e s h, i Qa, i + Qa, i + 1 Qd, i + Qd, i + 1 = + 1 h, i t t 2 2 ( Qa, i + Qa, i + 1 Qd, i ) t + 2 h, i = Qd, i h, i + 1 logo Termos conhecidos Função de h (i+1), a única incógnita DU - 50

10 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS CÂMARAS DRENANTES Finalidade armazenamento e infiltração das águas pluviais; solução económica e eficaz, adequada a zonas de solo permeável; Tipos DU - 51

11 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Câm. Drenantes Capacidade (factores de que depende) dimensão da bacia a drenar; características pluviométricas da zona em estudo; grau de impermeabilização do solo; declive médio da bacia drenada; condutividade hidráulica dos solos. caudais percolados aumentam com o incremento de carga de água no interior das câmaras (na ausência de colmatações). Desvantagens não se adequa a solos argilosos, siltosos ou areno-siltosos risco de contaminação dos aquíferos provocado por mistura das águas residuais com águas pluviais elevados encargos associados à manutenção e exploração (limpeza periódica) elevada dificuldade de reabilitação DU - 52

12 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Câm. Drenantes Constituição anéis pré-fabricados construídas cuidadosamente percolações pelo fundo infiltrações pelas juntas, entre anéis devem ser visitáveis localizadas em zonas de cotas de terreno iguais ramais de ligação inclinação mínima de 1/D (assegurar auto-limpeza) colocados a cotas que garantam a mobilização da capacidade total das câmaras drenantes DU - 53

13 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Câm. Drenantes Dimensionamento hidráulico Hipóteses admitidas linearidade entre a carga hidráulica no fundo da câmara e o caudal percolado aplicação do método racional generalizado para determinação do máximo caudal (para um dado T) constância no caudal afluente a cada câmara durante a precipitação crítica e na respectiva intensidade de precipitação enchimento total da câmara, no caso da ocorrência da precipitação crítica Expressões de cálculo (ESCRITT, 1947) DU - 54

14 SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS Câm. Drenantes Metodologia de cálculo DU - 55

15 MODELAÇÃO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO DU - 56

16 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO CLASSIFICAÇÃO DE MODELOS E ETAPAS DO PROCESSO DE MODELAÇÃO Tipos de modelos Modelos determinísticos (formulados segundo regras de causalidade, que pressupõem um total conhecimento do sistema) vs probabilísticos (baseados em amostras aleatórias ou em correlações observadas em determinadas séries temporais). Modelos teóricos (ou fisicamente baseados) vs modelos conceptuais ou empíricos (que recorrem à representação simplificada dos processos físicos, com base em resultados obtidos experimentalmente). Modelos de regime permanente (em que todas as variáveis e parâmetros são independentes do tempo) vs modelos dinâmicos (analisam a evolução temporal das diferentes variáveis). Modelos analíticos (recorrem a instrumentos de matemática clássicos e permitem a modelação contínua, obtendo-se soluções em qualquer ponto do domínio) vs modelos numéricos (que conduzem a modelos discretos no espaço e/ou no tempo apenas se obtêm soluções em pontos pré-determinados). Modelos distribuídos (em que os parâmetros variam espacialmente) vs modelos agregados. DU - 57

17 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO Black box model - modelos empíricos, simplificados, que reproduzem a resposta do sistema. White box model - modelos determinísticos que representam os processos mais relevantes através de equações diferenciais. Grey box model - modelos intermédios, baseados em simplificações das leis físicas. Etapas do processo de modelação Definição do problema: processos a modelar, variáveis respectivas, e objectivos do modelo Recolha de informação disponível Selecção do modelo: equações que traduzam os processos atendendo aos objectivos Definição de condições iniciais e de condições de fronteira para todas as variáveis dos processos Representação das equações diferenciais de forma discreta, através de métodos numéricos; Desenvolvimento do código e debugging Calibração e validação do modelo Aplicação do modelo DU - 58

18 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO MODELAÇÃO DE COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM Modelos Incluem aspectos hidráulicos e hidrológicos. Permitem a simulação dinâmica de: escoamento superficial; escoamento nos colectores (com superfície livre e em pressão); qualidade da água e transporte de poluentes. Aplicação amplamente divulgada: dimensionando as infra-estruturas (i.e.: mitigação de inundações e controlo de descargas directas de excedentes); estimar cargas poluentes; avaliar a eficácia de soluções de controlo na origem. DU - 59

19 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Escoamento superficial Curvas tempo-área Modelo de reservatório Modelo de reservatório não linear ou modelo cinemático Modelo do hidrograma unitário (UHM) Propagação do escoamento na rede de colectores Equações de Saint Venant Integração na vertical das equações: da continuidade Q x + A t = q L da quantidade de movimento h γ A x i + γ A J Q + ρ t + βqv x = 0 DU - 60

20 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO Propagação do escoamento na rede de colectores Equações de Saint Venant Integração na vertical das equações: da continuidade Q x + A t = q L da quantidade de movimento h γ A x i + γ A J Q + ρ t + βqv x = 0 Modelo reservatório: considera apenas a equação da continuidade Modelo cinemático: aplicável a escoamentos em regime rápido (fórmula de Manning Strickler) Modelo difusivo: Modelo dinâmico: modela o atrito no perímetro molhado, as forças de gravidade e ignora a inércia. considera todos os termos da eq. Saint Venant (permite a simulação de transientes hidráulicos). Condutas sobre pressão conceito de Preissmann DU - 61

21 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO Qualidade da água e transporte de poluentes Acumulação de poluentes (nos colectores e à superfície). Efeito de lavagem ( washoff ). Transporte de poluentes: acumulados à superfície e no interior dos colectores em tempo seco efluentes domésticos e industriais. Processos químicos e biológicos: o colector como reactor! DU - 62

22 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO APLICABILIDADE DE MÉTODOS DE CÁLCULO E DE SIMULAÇÃO Critérios de escolha de modelos hidráulicos para aplicação em sistemas de drenagem urbana (adoptado de EN 752-4, 2001 referente a dimensionamento hidráulico e considerações ambientais): Domínio de Aplicação Métodos simples/ de onda de onda empíricos cinemática dinâmica Dimensionamento de pequenos sistemas S S NR Dimensionamento de grandes sistemas _ S NR Verificação de desempenho, em termos de inundações S* Verificação do comportamento hidráulico e ambiental de sistemas existentes _ S* S* Concepção e dimensionamento de emissários e descarregadores de tempestade _ S* S* Avaliação de impactos sobre o meio receptor (qualidade) _ S S* Avaliação de impactos sobre o meio receptor (quantidade) _ S NR Controlo em tempo real _ S NR LEGENDA: S - aspectos hidrológicos tratados de forma simplificada; S* - aspectos hidrológicos tratados de forma simplificada ou detalhada; NR - em regra, não recomendável. Para a verificação hidráulica recorre-se a modelos de simulação complexos, em que os input são hietogramas típicos e os output são hidrogramas de cheia, alturas de escoamento e velocidades DU - 63

23 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO CARACTERIZAÇÃO SUMÁRIA DOS MODELOS EXISTENTES Principais programas comerciais actualmente disponíveis: Flupol HydroWorks InfoWorks MOUSE SAMBA SWMM MOSQITO KOSIM HYDRA SewerCAD XP-SWMM SIMPOL (Descritos em detalhe no quadro seguinte) DU - 64

24 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO Modelos utilizados por programas de simulação de drenagem urbana : Processo Tipo de modelo Programa Flupol HydroWorks/ InfoWorks Perdas hidrológicas perdas iniciais fixas S S S S S perdas contínuas: coef. escoamento volumétrico S S S S S S humedecimento do solo retenção superficial S S infiltração: fórmula de Horton S S S fórmula de Green-Ampt evapotranspiração outras fórmulas de perdas contínuas Propagação do curvas tempo-área S escoamento modelo do reservatório linear S S S superficial modelo de reservatórios em cascata S modelo cinemático/ modelo do reservatório não linear S S S MOUSE S S SAMBA SWMM S SIMPOL DU - 65

25 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO Processo Tipo de modelo Programa Propagação do advecção S escoamento na modelo de Muskinghum-Cunge S rede de colectores modelo cinemático/ modelo do reservatório não linear S S modelo difusivo Flupol HydroWorks/ InfoWorks equações completas de Saint Venant S S S Poluentes no concentrações médias por evento (CME) S S S escoamento distribuição lognormal das CME S superficial acumulação: equação de potência S equação de Michaelis-Menton equação exponencial (Alley e Smith, 1981) S S S S arrastamento: exponencial (Sartor e Boyd; Jewell e Adrian) S S S exponencial (Nakamura, 1990) outras fórmulas S S número de poluentes modelados 4 >10 > modelação de poluentes com base em relações com os sedimentos S S S S MOUSE S SAMBA SWMM S SIMPOL DU - 66

26 MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO Processo Tipo de modelo Programa Flupol HydroWorks/ InfoWorks MOUSE SAMBA SWMM SIMPOL Propagação dos modelo do reservatório linear S poluentes superficiais modelo do duplo reservatório linear S Retenção de acumulação linear e diluição no volume da caixa de poluentes em sarjetas retenção SN S Transporte de eq. de transporte baseada: na lei de Shields S poluentes nos no método de Ackers-White S colectores no método de Vélikanov S noutros métodos S transformação/decaimento de poluentes N S S equação de advecção S S S S equação de advecção-dispersão S - consideração de estruturas de sedimentação/tratamento S SWMM DU - 67

27 BENEFICIAÇÃO DE SISTEMAS UNITÁRIOS DU - 68

28 BENEFICIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM UNITÁRIOS FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS DE DRENAGEM UNITÁRIOS E PROBLEMAS DE QUALIDADE DA ÁGUA Sistema unitário típico: Composto por: colectores unitários emissários descarregadores ETAR CSO (Combined Sewer Overflows) descarregados directamente nos meios receptores variação de caudais transportados (ocorrência de precipitações) dimensionamento hidráulico das ETAR é complexo São dimensionadas para um caudal de 3 a 6 x Q médio tempo seco DU - 69

29 BENEFICIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM UNITÁRIOS períodos chuvosos dos caudais e cargas poluentes escoadas sobrecarga das ETAR efluentes finais bastante poluídos aumento dos caudais, resultante da ocorrência de precipitações arrasta e coloca em suspensão substâncias previamente sedimentadas nos colectores acréscimo significativo da carga poluente descarregada para os meios receptores Construção de reservatórios ou de bacias de regularização constitui uma forma de beneficiação dos sistemas, reduzindo os impactes negativos no meio receptor (em vez de se ampliarem as estações de tratamento) DU - 70

30 BENEFICIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM UNITÁRIOS TENDÊNCIAS ACTUAIS NA CONCEPÇÃO E BENEFICIAÇÃO DOS SISTEMAS UNITÁRIOS Construção de reservatórios ou de bacias de regularização acumulam água poluída durante a ocorrência das chuvadas e conduzem-na, posteriormente, para a ETAR: a) quando o Q afl > Q dim ETAR a bacia de regularização entra em funcionamento, enchendo gradualmente até atingir a sua capacidade máxima b) quando a bacia de regularização está cheia o caudal excedente é descarregado directamente para o meio receptor DU - 71

31 BENEFICIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM UNITÁRIOS c) quando o Q afl > Q dim ETAR (fase descendente do hidrograma de cheia) a bacia começa a esvaziar, drenando para a ETAR, que funcionará em pleno EXEMPLOS: Na Alemanha, foram construídos nos últimos 15 anos, em sistemas unitários, cerca de bacias ou reservatórios de retenção e regularização, pretendendo-se, a médio prazo, construir mais a Vários sistemas de drenagem de grandes dimensões, geridos com controlo em tempo real, encontram-se actualmente em operação: em Detroit, Seatle e Ohio, nos Estados Unidos da América em Osaka, Tokyo e Okayoma, no Japão em Seine-Saint-Denis, Marselha e Nancy, em França no sector ocidental de Birmingham, no Reino Unido em Amsterdão e Roterdão, na Holanda DU - 72

32 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Métodos para dimensionar estruturas de armazenamento e descarregadores de tempestade: - método da precipitação crítica - método simplificado desenvolvidos na Alemanha (resultantes de observações experimentais) Método da precipitação crítica KRAUTH Estudou o sistema de drenagem unitário de Stuttgart-Busnau, na Alemanha Verificou: acumulação de sedimentos durante os períodos mortos do dia, sendo parcialmente arrastados durante os períodos de maior afluência de caudal; precipitações com I média > 10 l/(s.ha) produzem um efeito de lavagem das substâncias depositadas no interior dos colectores, verificando-se a ocorrência de efeitos de first flush As hipóteses de base, em termos de ocupação e de regime de precipitações, foram verificadas para bacias típicas da Alemanha DU - 73

33 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Objectivos Calcular volume reserva de modo a que, para a ocorrência de precipitações com uma intensidade média (I média ) inferior a uma determinada intensidade crítica (Ic), não ocorram descargas directas para o meio receptor (parte do caudal em excesso é retido nas estruturas armazenamento). Critérios de dimensionamento Determinar área da bacia hidrográfica servida pelo sistema de drenagem unitário a montante de cada estrutura tendo em conta que: as bacias localizadas a montante e servidas por outras estruturas de armazenamento e descarga não devem ser incluídas na bacia de drenagem da estrutura as bacias localizadas a montante e servidas por estruturas de detenção sem descarregador de tempestade associado devem ser consideradas para efeitos de cálculo da área da bacia tributária as bacias localizados a montante e servidas por descarregadores de tempestade sem estrutura de armazenamento associada devem ser consideradas, desde que os descarregadores tenham sido dimensionados de forma a não entrarem em funcionamento com a ocorrência de precipitações de I média < I crítica nos sistemas de drenagem mistos, a área servida pela rede separativa pluvial não deve contribuir para a área da bacia de drenagem DU - 74

34 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Determinação dos volumes de armazenamento necessários Intensidade de precipitação crítica e caudais de cálculo principal parâmetro de dimensionamento do sistema (as descargas directas para o meio receptor apenas ocorrem para precipitações com uma I média > I c ) Ic nec estabelecido para cada região em função de: duração das precipitações com intensidade média superior a Ic; condição de esvaziamento do volume de armazenamento no início da ocorrência dessas precipitações; caudal de estiagem e os objectivos de qualidade do meio receptor; concentração de cargas poluentes nas águas residuais domésticas, no escoamento pluvial e nos efluentes das ETAR. Estudos efectuados na Alemanha e em algumas regiões de França sugerem que um valor de 15 l/(s.ha) assegura, em média, o tratamento de cerca de 90% da carga poluente anual usualmente descarregada para o meio receptor, em períodos chuvosos DU - 75

35 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO (Exemplo de valores de referência na Alemanha) I c = 15 x 120/(t c +120) L/(s.ha) t c 120 min I c = 7,5 L/(s.ha) t c >120 min DU - 76

36 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO DU - 77

37 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO DU - 78

38 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO DU - 79

39 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Cálculo dos volumes de armazenamento Volume específico de armazenamento Vr = volume por unidade de área reduzida da bacia de drenagem necessário para armazenar a parcela do escoamento pluvial crítico a reter) DU - 80

40 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Volume total de armazenamento necessário V V = V A a r red t Parâmetro Unidade Valores t c min a t ,50 2,00 1,50 at [-] 1,00 0,50 0, t c [min] DU - 81

41 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Em bacias de drenagem com tempos de concentração reduzidos (< a 15 a 20 minutos), o principal objectivo das estruturas de armazenamento e descarga é reter os caudais unitários iniciais, mais poluídos, atendendo ao efeito de first flush. O volume remanescente dos hidrogramas de cheia é descarregado directamente para o meio receptor, a montante da estrutura de armazenamento. Quanto maior for o tempo de concentração, maior é o tempo que o caudal unitário inicial, proveniente de toda a bacia de drenagem, demora a atingir a estrutura de armazenamento. Assim, para deter o caudal unitário inicial proveniente das áreas hidraulicamente mais afastadas da estrutura de armazenamento e descarga, é necessário deter igualmente o caudal remanescente proveniente das áreas mais próximas, resultando em volumes de armazenamento superiores. À medida que o tempo de concentração aumenta (> 50 a 60 minutos), o efeito da concentração poluente inicial torna-se pouco relevante (os caudais provenientes das áreas hidraulicamente mais afastadas misturam-se com os caudais menos poluídos das sub-bacias mais próximas), pelo que o parâmetro a t deixa de depender do tempo de concentração. DU - 82

42 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE BACIAS DE ARMAZENAMENTO COM DESCARREGADOR DE TEMPESTADE INSTALADO NO COROAMENTO A fim de garantir condições de tratamento por sedimentação, o caudal afluente às bacias de armazenamento com descarregador de tempestade instalado no coroamento deve ser limitado ao caudal unitário critico afluente (Qcrit), através de um descarregador de tempestade adicional localizado a montante. Este descarregador adicional pode ser dispensado (ATV-A128, 1992) se o descarregador no coroamento assegurar a descarga completa dos excedentes, sem que as condições de tratamento sejam prejudicadas, ou caso se preveja que raras vezes entre em funcionamento (menos de dez vezes por ano). DU - 83

43 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE BACIAS DE ARMAZENAMENTO COM DESCARREGADOR DE TEMPESTADE INSTALADO NO COROAMENTO (Algumas Recomendações) Em bacias rectangulares com descarregador de tempestade instalado no coroamento, ou nos compartimentos que a constituem, as seguintes relações e condições hidráulicas devem ser verificadas (ATV-A128, 1992; MINISTÈRE DE L'AGRICULTURE, 1988): a largura da bacia deve ser igual ou superior à largura do descarregador; comprimento da bacia, medido na direcção preferencial de escoamento, deve ser igual ou superior ao dobro da largura; a altura média da bacia deve ser calculada por forma a garantir um volume de armazenamento não inferior ao determinado pelo método; a carga hidráulica sobre a soleira do descarregador instalado no coroamento deve ser sempre inferior a 0,10 m/h (para um descarregador de Bazin, a largura mínima do descarregador será de b (m) = 17,857 Qcrit, com Qcrit (m 3 /s); a carga hidráulica na bacia (Hb) não deve exceder 10 m/h e depende da área da secção horizontal da bacia (Ah), expressa em m 2 : DU - 84

44 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE BACIAS DE ARMAZENAMENTO COM DESCARREGADOR DE TEMPESTADE INSTALADO NO COROAMENTO (Algumas Recomendações) a velocidade máxima, na direcção preferencial do escoamento (Av é a área da secção transversal da bacia, em m 2 ), deve ser inferior a 5 cm/s, ou seja: o tempo de retenção hidráulica na bacia (t ret ) não deve ser inferior aos valores que se apresentam, sendo de destacar que valores superiores a 20 minutos não trazem benefícios significativos à qualidade dos excedentes descarregados para o meio receptor: o tempo máximo de esvaziamento da bacia (t e ) não deve ser superior a 15 minutos. DU - 85

45 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado Este método utiliza uma formulação baseada em caudais médios diários anuais e em concentrações médias anuais da carga poluente, (CQO) e tem em conta a duração e frequência da ocorrência de descargas e o tipo e concentração de substâncias poluentes descarregadas (ATV 128, 1992) O método simplificado foi desenvolvido na Alemanha, com base num caso de referência adequado às características das bacias de drenagem e ao regime de precipitação naquele país, apresentando os valores médios anuais seguintes: precipitação média anual (h pr ) mm precipitação média útil anual (h pr,útil ) mm concentração em CQO do escoamento pluvial (c r ) mg/l concentração em CQO do efluente das ETAR durante o tempo chuvoso (c et ) mg/l concentração em CQO do escoamento em tempo seco (c ts ) mg/l DU - 86

46 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado Critério de dimensionamento: Em ano médio e em sistemas de drenagem unitários, a carga poluente anual descarregada para o meio receptor (em termos de CQO) (Chemical Oxygen Demand) deve ser inferior à carga em CQO anualmente transportada pelas águas pluviais para o interior da rede de colectores (i.e., admitindo que a eficiência da ETAR não é afectada pela passagem da onda de cheia) DU - 87

47 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado Critério de dimensionamento: As concentrações poluentes médias anuais, a utilizar na equação de balanço (relativas às águas pluviais afluentes ao sistema de drenagem, ao efluente da ETAR em tempo chuvoso e à massa líquida descarregada através dos descarregadores de tempestade) são avaliadas através do caso de referência. Os desvios em relação ao caso de referência são considerados no método, pelo acréscimo ou redução da taxa admissível de descarga de excedentes, através de uma formulação empírica, baseada em relações experimentais obtidas também na Alemanha. DU - 88

48 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado Critério de dimensionamento: Os desvios em relação ao caso de referência são considerados da seguinte forma: valores de precipitação média anual superiores/inferiores à situação de referência conduzem ao agravamento/redução da carga poluente descarregada para o meio receptor, pelo que o método considera um acréscimo/redução do volume de armazenamento; valores de concentração em CQO do escoamento de tempo seco inferiores ao valor mínimo teórico utilizado pelo método (600 mg/l) não reduzem o volume de armazenamento considerado necessário, embora valores de concentração superiores conduzam a um aumento do volume de armazenamento requerido; desvios em relação ao valor de referência relativo à concentração média em CQO do efluente das ETAR não têm influência na determinação do volume de armazenamento necessário. DU - 89

49 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado DU - 90

50 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado TAXA ADMISSÍVEL DE DESCARGA DE EXCEDENTES Definindo por taxa admissível de descarga de excedentes (e o ) o quociente entre o volume médio anual de descargas directas para o meio receptor e o volume médio anual das águas pluviais afluentes ao sistema de drenagem, obtém-se: A taxa admissível de descarga de excedentes é um parâmetro teórico que depende da concentração média teórica em CQO das descargas de excedentes estabelecida para a situação de referência (c co ). concentração em CQO do escoamento pluvial (c r ) concentração em CQO do efluente das ETAR durante o tempo chuvoso (c et )...70 mg/l. concentração em CQO do escoamento pluvial (c o )..107 mg/l DU - 91

51 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado TAXA ADMISSÍVEL DE DESCARGA DE EXCEDENTES Para os valores de referência (concentração em CQO do escoamento pluvial de 107 mg/l; concentração em CQO do efluente das ETAR durante o tempo chuvoso de 70mg/l) obtémse a expressão seguinte (%) que deve ser aplicada apenas se os meios receptores apresentarem elevada capacidade de diluição (para valores de diluição inferiores a 100 o método não é aplicável) : Em ATV-A128 (1992), propõe-se que a expressão anterior seja válida em meios receptores que verifiquem a seguinte expressão de diluição: DU - 92

52 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado TAXA ADMISSÍVEL DE DESCARGA DE EXCEDENTES Para meios receptores em que o caudal de estiagem seja significativamente superior a cem vezes o caudal de ponta horário das águas residuais, a taxa admissível de descarga de excedentes pode ser aumentada em 20 % (ATV-A128, 1992): DU - 93

53 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado CONCENTRAÇÃO MÉDIA TEÓRICA EM CQO DAS DESCARGAS DE EXCEDENTES Tendo em conta a composição da massa líquida descarregada, o valor de c co pode ser determinado através da seguinte equação de ponderação de cargas: DU - 94

54 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado O valor de Q ro tem presente as características locais da bacia e do sistema de drenagem e pode ser determinado, durante as descargas de excedentes, através da expressão DU - 95

55 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado Os factores que influenciam a concentração de substâncias poluentes nos caudais unitários são considerados através do parâmetro fictício c d. O volume de armazenamento necessário aumenta com o valor deste parâmetro c d. Para o caso de referência, os parâmetros da expressão assumem os seguintes valores: a p =1; a h =0 e a a =0. Os desvios de cada caso particular, em relação às condições de referência, são considerados através dos parâmetros a p, a h e a a. DU - 96

56 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado O parâmetro a p, que incluí o caudal médio de infiltração em tempo seco, depende da concentração média anual em CQO do caudal em tempo seco (c ts ), expressa em mg/l: O parâmetro a h varia com o valor da precipitação média anual, expressa em mm (h pr ), DU - 97

57 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado A deposição de sedimentos no interior da rede de colectores depende do declive dos colectores, dos caudais escoados e da área da bacia de drenagem. Para a determinação do parâmetro a a, o método recorre aos ábacos: DU - 98

58 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado CÁLCULO E DISTRIBUIÇÃO DOS VOLUMES DE ARMAZENAMENTO DU - 99

59 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado O volumes de armazenamento em falta devem ser distribuídos pelas diversas estruturas de armazenamento e descarga, a construir. Estes volumes são estimados com base na seguinte expressão: DU - 100

60 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado Os volumes de armazenamento a considerar em cada sub-bacia de drenagem incluem os Volumes: - de armazenamento nas ETAR; - em colectores de armazenamento com descarregador; e - em trechos de colectores localizados imediatamente a montante de bacias de armazenamento e descarga, situados a cotas inferiores ao nível de descarga das bacias. DU - 101

61 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado A contribuição dos volumes de armazenamento nos colectores deve ser reduzida de acordo com a seguinte expressão: Os volumes de armazenamento de estruturas de detenção não associadas a um descarregador de tempestade não devem ser considerados para aplicação do método. DU - 102

62 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado A aplicação do método simplificado está limitada às situações em que, ao nível da concepção global do sistema de drenagem, se verifique o seguinte: a) o caudal específico pluvial que se admite passar para a ETAR (qr 24 ) e para jusante das estruturas de armazenamento e descarga (q r ) seja inferior a 2 l/(s.ha); b) o caudal específico pluvial que se admite passar para jusante das estruturas de armazenamento e descarga (q r ) não exceda 1,2 vezes o caudal especifico pluvial que se admite passar para a ETAR, ou para jusante de uma eventual estrutura de armazenamento e descarga localizada a jusante; c) o número de estruturas de armazenamento e descarga associadas em série não exceda 5, a fim de assegurar que a acumulação de erros ao longo do processo de cálculo não seja demasiado elevada; DU - 103

63 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO Método Simplificado d) os caudais que se admitem passar para jusante de descarregadores de tempestade não sejam inferiores aos obtidos de acordo com o método; e) o número de descarregadores de tempestade instalados a montante de cada estrutura de armazenamento e descarga seja, no máximo, de 5; f) se na bacia de drenagem estiverem instaladas bacias de detenção não associadas a um descarregador de tempestade, o caudal pluvial específico que se admite passar para jusante de cada uma destas estruturas não deve ser inferior a 5 l/(s.ha); os respectivos volumes de armazenamento não devem contribuir para assegurar as necessidades de armazenamento determinadas de acordo com o método. Na determinação dos volumes de armazenamento pelo método simplificado, os volumes específicos de armazenamento (V s ) não podem exceder 40 m 3, por hectare de área impermeável. DU - 104

64 Fim DU - 105