MONITORAMENTO E MODELAGEM DE POÇO DE INFILTRAÇÃO EM ESCALA REAL

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1 MONITORAMENTO E MODELAGEM DE POÇO DE INFILTRAÇÃO EM ESCALA REAL Thays Santos Ferreira 1 *; Ademir Paceli Barbassa 2 Resumo O processo de urbanização ocorrido principalmente durante as últimas décadas se deu de forma não planejada, causando grande concentração da população e aumento da impermeabilização do solo. Essa realidade gerou impactos na drenagem urbana aumentando a frequência e magnitude das enchentes. As técnicas compensatórias vêm sendo empregadas desde 1970 nos EUA e Europa como alternativa a esse cenário. No Brasil, a experiência no uso dessas técnicas ainda é escassa. Nesse contexto, o objetivo desse trabalho é avaliar o comportamento hidrológico de um poço de infiltração como técnica compensatória de controle na fonte. Para isso foi construído um poço de infiltração que recebe as águas provenientes de 287,80 m² correspondentes à área impermeável de um edifício localizado na Universidade Federal de São Carlos. A metodologia envolve a construção do poço, o monitoramento do sistema e a modelação de eventos de chuvas. O poço foi construído com anéis de concreto justapostos no solo, sem furos laterais, com camada de brita no fundo e lançamento direto da água no interior do poço. Foram monitorados seis eventos de chuvas reais e a modelagem foi feita utilizando o método de Puls. Espera-se que esses dados contribuam para avaliação do comportamento hidrológico desse tipo de estrutura. Palavras-Chave Drenagem urbana, técnica compensatória, poço de infiltração. MONITORING AND MODELING INFILTRATION WELL IN REAL SCALE Abstract The urbanization process mainly occurred during recent decades occurred in an unplanned manner, causing great concentration of population and increasing soil sealing. This reality has generated impacts on urban drainage increasing the frequency and magnitude of floods. The "Best Management Practices" have been employed since 1970 in the US and Europe as an alternative to this scenario. In Brazil, experience in the use of these techniques is still scarce. In this context, the aim of this study is to evaluate the hydrological behavior of an infiltration pit as compensatory technical control at source. For it was built a well infiltration receiving the water from m² corresponding to the impervious area of a building located at the Federal University of São Carlos. The methodology involves the construction of the well, the system monitoring and modeling rain events. The well was built with concrete rings juxtaposed in the ground without lateral holes with gravel layer on the bottom and direct release of water into the well. Six actual rainfall events were monitored and modeling was done using the method Puls. It is expected that this data will contribute to evaluate the hydrological behavior of this type of structure. Keywords Urban drainage, best management practices, infiltration well. 1 Mestranda, Universidade Federal de São Carlos UFSCAR, Programa de Pós Graduação em Engenharia Urbana PPGEU, thays.ambiental@gmail.com 2 Profº. Drº. Universidade Federal de São Carlos UFSCAR, Departamento de Engenharia Civil DECiv, barbassa@ufscar.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1. INTRODUÇÃO O processo de urbanização tem produzido impactos significativos na infraestrutura urbana, especialmente nos aspectos relativos aos recursos hídricos. Um dos setores onde isso pode ser facilmente observado é na drenagem urbana, já que as alterações na bacia hidrográfica vêm aumentando a frequência e magnitude das inundações. Para buscar neutralizar os efeitos da urbanização sobre os processos hidrológicos, a partir da década de 1970 deu-se o início efetivo do uso de técnicas compensatórias em drenagem urbana, também conhecidas como Best Management Practices (BMP). Essas técnicas, que utilizam combinações tecnológicas para evitar a transferência rápida da água para jusante e facilitar a infiltração (BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD; 2005), surgiram da necessidade de uma gestão mais eficaz e sustentável de escoamento de águas pluviais (ELLIS; GREEN; REVITT, 2010) Os poços de infiltração são exemplos de técnica compensatória de controle na fonte, já que atuam diretamente na origem do problema, controlando o excesso de escoamento superficial no próprio local onde é gerado (CARVALHO, 2008). Esses dispositivos, além de contribuírem para a redução dos volumes de escoamento superficial, desempenham um papel na compensação das perdas na recarga dos aquíferos. No município de São Carlos, a Lei nº /2011 que dispõe sobre o Código de Obras e Edificações do Município, estabelece que as águas pluviais deverão ser encaminhadas até o poço de retenção ou infiltração contido no próprio lote, e o excesso canalizado sob o passeio público, até o sistema de drenagem urbana, quando existente (SÃO CARLOS, 2011). A exigência da lei refere-se apenas ao volume de armazenamento, não existindo um projeto pré-definido para o dispositivo. No entanto, tem se observado que os loteamentos estão utilizando uma estrutura padrão, construída com anéis de concreto sem furos laterais, onde se presume que a água se infiltre totalmente ou preferencialmente através do fundo. Nesse contexto, esta pesquisa propõe o monitoramento e a modelagem de um poço de infiltração experimental construído em escala real conforme projeto utilizado nos loteamentos do município para avaliar o comportamento hidrológico desse tipo de estrutura. 2. OBJETIVOS Monitorar e modelar um poço de infiltração construído em escala real como técnica compensatória em drenagem urbana. 3. METODOLOGIA 3.1. Caracterização do solo Para a caracterização do solo local foram realizados ensaios de granulometria, índices físicos, massa específica dos sólidos, compactação e ensaio para a determinação da permeabilidade saturada. Os ensaios granulométricos foram feitos pelo método do peneiramento e do densímetro de acordo com as normas NBR 6502/1984 e NBR 7181/1982. As amostras de solo para esses ensaios foram coletadas em quatro faixas de profundidades: 0-m; -m; -m e -m. Os ensaios de compactação e massa específica dos sólidos foram realizados de acordo com a NRB 7182/1986 da ABNT. Para a determinação da permeabilidade saturada do solo (Ksat) foram realizados ensaios utilizando o método do poço invertido, seguindo a metodologia e orientação contidas em Cauduro e XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Dorfmann (s/d), em ABGE (1996) e em Baptista et al (2005), que cita o método de Pratt et al (1992) Dimensionamento e construção do poço de infiltração O dimensionamento do poço foi feito conforme o Código de Obras e Edificações do município de São Carlos (Lei Municipal nº /2011). De acordo com o Código, o volume do reservatório de detenção ou retenção deve ser calculado na razão de 5L (cinco litros) para cada metro quadrado impermeabilizado do terreno. A área de contribuição total do edifício é de 468,35m². O poço de infiltração recebe escoamento de 287,80m² referente à área de contribuição número 1 (Figura 1). Figura 1 - Área de contribuição do poço de infiltração. O dimensionamento demandou um volume de armazenamento de 1,44m³. Como o poço foi construído com anéis de concreto pré-moldados, foram utilizados 4 anéis, o que totalizou um volume útil de 1,73m³. Os anéis de concreto utilizados na construção do poço de infiltração possuem 1,10m de diâmetro interno. À medida que o solo foi retirado do fundo, os anéis desceram de modo que ficassem cravados no solo lateral (Figura 2). A tubulação afluente foi enterrada de forma que a água entra direto dentro do poço (Figura 3). Figura 2- Instalação dos anéis de concreto Figura 3- Tubulação afluente ao Poço Funcionamento do poço de infiltração A água pluvial entra diretamente no interior do poço por meio de tubulação enterrada (1) desde a instalação predial à montante. A água é lançada sobre uma camada de 30cm de brita nº2 no fundo (2). Após atingir o nível máximo, a água pluvial excedente segue para sistema de drenagem XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 convencional (sarjeta) através de tubulação enterrada (3). Na figura 4 é apresentado o funcionamento do poço de infiltração. Figura 4- Funcionamento poço de infiltração 3.4. Monitoramento do poço de infiltração Os dados pluviométricos são coletados a partir de um pluviógrafo eletrônico localizado na Estação Climatológica da UFSCar. A medida de vazão afluente à estrutura de infiltração é realizada por meio de um vertedor triangular de 90 de parede delgada ( Figura 5). A partir dos dados dos níveis de água no vertedor, obtidos por linígrafo, estão sendo calculadas pela Equação 1 de Thompson (Porto, 2006), as vazões de entrada no poço de infiltração. Onde: Q(m3/s) = vazão afluente h(m)= nível de água acima da crista do vertedor O nível de água no interior do poço é medido por linígrafos eletrônicos instalados no interior de tubos de monitoramento em PVC de 150mm, conforme Figura 6. O tubo de monitoramento possui furos em sua extensão que permitem a entrada de água para medição do nível. Medidor de nível (1) Vertedor Caixa de passagem Figura 5- Canaleta, vertedor e medidor de nível Figura 6- Monitoramento de nível de água no poço XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 3.5. Modelagem do poço de infiltração A modelagem da técnica está sendo feita pelo método adaptado de Puls. Sua aplicação é feita utilizando a equação da continuidade (Equação 2) e, por meio da curva cota-vazão, são calculadas as vazões de saída e níveis de água no interior do poço. (2) Onde: I=vazão de entrada (m³/s); Q=Vazão de saída (m³/s); S= Volume armazenado dentro da estrutura (m³); T= tempo (s). Os valores de permeabilidade saturada (Ksat) utilizados no modelo foram os obtidos nos ensaios de poço invertido. Para cada evento de chuva, foram feitas modelagens considerando a infiltração apenas no fundo do poço e considerando a infiltração no fundo e nas paredes. A partir do valor de Ksat dos ensaios (Kensaio) foram calculados os valores de Ksat otimizados (Ko) para cada evento de chuva. Os valores de Ko foram obtidos por meio de regressão não linear utilizando a ferramenta Solver, um aplicativo do EXCEL. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Caracterização do solo O resultado da granulometria do solo apresentou como porcentagens médias 18% de areia fina, 40,4% de areia média, 36,2% de argila e parcelas menos significativas de silte e areia grossa. Dessa forma o solo foi classificado como Areia Média Argilosa, de acordo com a nomenclatura contida na NBR 6508 (ABNT, 1984). Os ensaios de compactação resultaram em uma compactação maior na faixa de solo que vai de 0,3 a 0,6m de profundidade (72%) e menores compactações após essa faixa. Os ensaios de poço invertido realizados próximos ao poço de infiltração resultaram em um valor médio de 7,74mm/h para o método descrito em ABGE (1996), 8,06mm/h para Cauduro e Dorfmann (s/d) e 17,32mm/h pelo método de Pratt et al.(1992) citado por Baptista et al (2005). Os resultados podem ser vistos na Tabela : Tabela 1- Ensaios poço invertido Método Rodio (1960) Cauduro e Dorfman (s/d) Pratt et al (1992) Ensaio 1 6,85 7,98 15,02 Ensaio 2 7,97 6,85 15,17 Ensaio 3 8,41 9,36 21,78 Média 7,74 8,06 17,32 Calculando a permeabilidade saturada do solo no poço já construído, utilizando o método de Pratt et al. (1992) citado por Baptista et al (2005), foram encontrados valores muito superiores aos obtidos pelo método do poço invertido (até 20 vezes maior). Carvalho (2008) realizou testes de infiltração em poços pilotos de pequeno diâmetro (0,2m) e de grande diâmetro (2m). Para uma mesma profundidade, os poços pilotos foram mais eficientes do XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 que os poços de grande diâmetro em todos os casos. De acordo com a autora, isso se deve ao efeito escala - enquanto um volume maior de água infiltra-se em uma área proporcionalmente menor no poço de grande, no poço pequeno, um volume menor infiltra-se em uma área proporcionalmente maior. O efeito escala não foi verificado nos ensaios realizados nesse trabalho, já que os poços escavados a trado, de diâmetros menores, obtiveram menores eficiências do que os poços de grande diâmetro Características dos eventos de chuvas Os eventos de chuvas estão sendo monitorados desde março de Não foi possível coletar os dados de todas as chuvas do período devido a algumas falhas nos equipamentos de medição. As chuvas com altura de precipitação menores que 10mm foram desconsideradas. Na Erro! Fonte de referência não encontrada. são apresentados seis eventos monitorados até o momento. Nela estão contidas as alturas precipitadas, as durações e intensidades das precipitações, os níveis máximos atingidos dentro dos poços e os tempos de enchimento e de esvaziamento do poço. Como o volume útil do poço é de 1,73m³, pode-se perceber que até o momento em apenas 2 eventos houve extravasamento do poço (eventos 5 e 6). Tabela 2- Características eventos de chuva Altura Duração Intensidade Evento precipitada (min) (mm) Vol. máximo atingido (m³) Tempo de enchimento (min) Tempo de esvaziamento (min) 1 13, ,12 1, , ,55 0, , ,19 1, , , , , , ,84 2, Método de Puls para os eventos de chuvas Aplicando o método de Puls para o menor valor de Kensaio (7,74mm/h) a modelagem não foi satisfatória. Isso ocorreu tanto quando considerada a infiltração apenas no fundo, quanto considerando a infiltração no fundo e nas paredes, conforme pode ser observado nos gráficos dos eventos 1 e 2, contidos na Tabela 3. Os coeficientes de explicação (R²) para esses valores de k foram praticamente zero (Tabela 4). O valor médio de Ko obtido considerando a infiltração apenas no fundo do poço foi de 1502,87mm/h. Esse valor muito elevado evidencia que está ocorrendo infiltração também pelas paredes do poço. Se considerarmos a infiltração no fundo e paredes, a média do Ko calculado é de 277,3 mm/h. As modelagens do evento 1 do poço de infiltração são apresentadas na Tabela 3. Na Tabela 4 estão os valores de Ksat utilizados e os obtidos nas modelagens e seus respectivos coeficientes de explicação. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Tabela 3- Modelagem Puls dos poços de infiltração Modelagem - Infiltração apenas Modelagem - Infiltração no no fundo fundo e paredes Evento 1-08/02/14 Puls Ko (m) obs (m) Puls K ensaio (m) Evento 1-08/02/ Modelagem - Infiltração apenas no fundo Evento 2-07/03/ Modelagem - Infiltração no fundo e paredes Evento 2-07/03/ Evento 3-19/03/2014 NAPuls Ko (m) NA obs (m) Evento 3-19/03/ Evento 4-22/04/ Evento 4-22/04/ Evento 5-20/09/14 NAPuls Ko (m) NA obs (m) Evento 5-20/09/ Evento 6-26/10/ Evento 6-26/10/14 0 Tabela 4- Modelagem Puls Altura Evento precipitada (mm) Duração (min) Intensidade 1 13, , , , , , , , , , , ,84 Infiltração k ensaio R² ko fundo 7, ,2 0,82 fundo+parede 7, ,3 0,93 fundo 7, ,6 0,98 fundo+parede 7, ,1 0 fundo 7, ,9 0,95 fundo+parede 7, ,5 0,99 fundo 7, ,1 0,95 fundo+parede 7, ,8 0,99 fundo 7,74 0, ,7 0,90 fundo+parede 7, ,9 0,96 fundo 7,74 0, ,7 0,90 fundo+parede 7, ,2 0,85 R² XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 5. CONCLUSÕES Quanto à caracterização do solo, concluiu-se que o método do poço invertido não foi representativo da situação real, já que os resultados obtidos nos ensaios de permeabilidade forma muito inferiores dos obtidos no poço construído em escala real. Por meio da modelagem de Puls constatou-se que, ao contrário do que era suposto, a infiltração de água no poço se dá também por meio das paredes. O modelo não foi adequado para os valores de permeabilidade de solo obtidos nos ensaios. Utilizando os valores de K otimizados, no entanto, o modelo se mostrou representativo, com coeficientes de explicação elevados. A técnica continua sendo monitorada e analisada para a elaboração de resultados mais conclusivos. 6. REFERÊNCIAS ABGE. Associação Brasileira de Geologia de Engenharia. Ensaios de Permeabilidade em Solos: orientações para sua execução no campo. 3ª. ed., Boletim 04, ABNT. (1982). Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7181: Solo Análise granulométrica. Rio de Janeiro. ABNT. (1984). Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6508: grãos que passam na peneira de 4,8mm. Determinação da massa específica: método de ensaio. Rio de Janeiro. ABNT. (1995). Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR. NBR 6502: Rochas e solos Terminologia. Rio de Janeiro. BAPTISTA, M.; NASCIMENTO, N.; BARRAUD, S. (2011) Técnicas Compensatórias em Drenagem Urbana. Porto Alegre: ABRH. 2ª Ed. 318 p. CARVALHO, E.T.L. Avaliação de elementos de águas pluviais na Zona Norte de Goiânia. Dissertação de mestrado - Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção Civil, Universidade Federal de Goiás CAUDURO, F. A.; DORFMAN, R. Manual de ensaios de laboratório e de campo para irrigação e drenagem. Porto Alegre: PRONI/IPH-UFRGS, s/d. ELLIS, J.B; GREEN, C.; REVITT, D.M. (2010). Identifying success factors in urban surface water BMP implementation: Mission impossible? In: International Conference on Innovative Technologies in Urban Storm Drainage, 7., 2010, lyon. novatech, Anais eletrônico disponível em: PORTO, R.M. (1998). Hidráulica Básica. EESC/USP São Carlos- SP, 540 p. SÃO CARLOS. Lei nº : - Dispõe sobre o Código de Obras e Edificações do Município de São Carlos, e dá outras providências URBONAS, B. E STAHRE, P. Stormwater- Best management pratices and detenion for water quality, drainage, and CSO management. PTR Prentice Hall, 449 p XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8