DRENAGEM URBANA DU - 1

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1 DRENAGEM URBANA DU - 1

2 DRENAGEM URBANA: Principais conteúdos programáticos INTRODUÇÃO À DRENAGEM URBANA (Urban Drainage) Tipos de sistemas de drenagem urbanos e principais componentes dos sistemas SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS (Rainwater Drainage Systems) Aspectos quantitativos e qualitativos e principais preocupações Concepção e constituição dos sistemas Implantação do sistema de drenagem pluvial Cálculo de caudais pluviais Dimensionamento hidráulico de colectores Dispositivos interceptores Bacias de retenção (retention basin or retention ponds) Câmaras drenantes (infiltration chambers) DU - 2

3 DRENAGEM URBANA: Principais conteúdos programáticos MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO (Modeling wastewater drainage systems) Etapas do processo de modelação Princípios de modelação matemática do comportamento de sistemas de drenagem Caracterização sumária de modelos existentes Construção do modelo: dados necessários e resultados obtidos BENEFICIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM UNITÁRIOS (Improvements of the behavior of wastewater systems) Tendências actuais na concepção e beneficiação dos sistemas unitários Dimensionamento de estruturas de armazenamento: o método da precipitação crítica DU - 3

4 INTRODUÇÃO DU - 4

5 INTRODUÇÃO À DRENAGEM URBANA TIPOS DE SISTEMAS Unitários (Combined systems) Constituídos por uma única rede de colectores onde são admitidas conjuntamente as águas residuais domésticas, comerciais e industriais, e águas pluviais; recolhem e drenam a totalidade das águas a afastar dos aglomerados populacionais. Separativos (separative systems) Constituídos por duas redes de colectores distintas, uma destinada à drenagem das águas residuais domésticas, comerciais e industriais, e uma outra à drenagem das águas pluviais ou similares. Mistos Constituídos pela conjugação dos dois tipos anteriores, em que parte da rede de colectores funciona como sistema unitário e a restante como sistema separativo. Separativos parciais ou pseudo-separativos Em que se admite, em condições excepcionais, a ligação de águas pluviais de pátios interiores ao colector de águas residuais domésticas. DU - 5

6 INTRODUÇÃO À DRENAGEM URBANA TIPO DE SISTEMA Sistemas convencionais separativos domésticos e pluviais Sistemas convencionais unitários Sistemas não convencionais: de colector gravítico de pequeno diâmetro ou sob vácuo VANTAGENS Transporte de efluentes de natureza distinta por diferentes colectores diferentes condições de tratamento e de destino final. Economia de primeiro investimento (construção de um único colector). Simplicidade na ligação de ramais e colectores. Economias significativas de primeiro investimento, nomeadamente em zonas planas ou com elevados níveis freáticos, Sistemas sob vácuo redução do risco da ocorrência de condições de septicidade e controlo da infiltração. INCONVENIENTES Custos elevados de primeiro investimento (necessário dois tipos de colectores). Necessidade de construção cuidadosa, em termos de ligações de ramais prediais. Descarga de excedentes poluídos em tempo de chuva, com eventuais impactes negativos no Ambiente. Acréscimo de encargos de energia e de exploração em instalações elevatórias e de tratamento, devido ao excedente de contribuição pluvial em tempo de chuva. Acréscimo em encargos de exploração e, conservação, em relação ao sistema gravítico convencional. No caso do sistema sob vácuo, requere-se um grau de conhecimento e de especialização superior, para a exploração. DU - 6

7 INTRODUÇÃO À DRENAGEM URBANA COMPONENTES DOS SISTEMAS Sistemas separativos de drenagem de água pluvial: redes de colectores (e ramais de ligação) órgãos acessórios dispositivos de entrada (sarjetas de passeio ou sumidouros) (inlet) câmaras de visita (inspection chambers) órgãos especiais e instalações complementares Desarenadores (desanding) bacias de retenção (regularizar os caudais pluviais afluentes, restituindo, a jusante, caudais compatíveis com a capacidade de transporte da rede de drenagem ou curso de água) câmaras drenantes (dispositivos de retenção e infiltração da água pluvial) instalações elevatórias (a evitar) (pumping systems) DU - 7

8 INTRODUÇÃO À DRENAGEM URBANA Câmaras de visita (Decreto Regulamentar nº 23/95 Artigo 155º) CORTE: PLANTA: Obrigatória a implantação de câmaras de visita a) Na confluência dos colectores b) Nos pontos de mudança de direcção, de inclinação e de diâmetro dos colectores c) Nos alinhamentos rectos, com afastamento máximo de 60 m e 100 m, conforme se trate, respectivamente, de colectores não visitáveis ou visitáveis (D>1.6 m) DU - 8

9 DU - 9

10 (Rainwater drainage systems) Diversos ASPECTOS QUANTITATIVOS E QUALITATIVOS E PRINCIPAIS PREOCUPAÇÕES Evaporação Infiltração Escoamento superficial Em zonas urbanas as águas pluviais podem cair: na cobertura dos edifícios sobre áreas pavimentadas em áreas permeáveis DU - 10

11 Diversos Tipos de preocupações Carácter poluente das águas pluviais metais pesados (Fe, Pb, Zn, ) hidrocarbonetos sólidos em suspensão CBO 5 (matéria orgânica) Sist. unitários efeito de first flush (ressuspensão e transporte de poluentes previamente decantados nos colectores) Comportamento unitário dos sistemas pluviais (mesmo quando concebidos como separativos) Variabilidade dos caudais Caudais de ponta (peak flows)>> caudais domésticos (domestic flow) Relação entre a ocupação do solo e a grandeza dos caudais escoados áreas impermeáveis artificialização das linhas de água Regime variável de escoamento nos colectores Agravamento de caudais PROJECTO MAIS COMPLEXO E CUSTO DE OBRAS SUPERIOR DU - 11

12 Diversos CONCEPÇÃO E CONSTITUIÇÃO DOS SISTEMAS Objectivo: aumentar Redução de caudal a intercepção a infiltração o armazenamento e a detenção incrementar o tempo de percurso do escoamento (increase the flow travel time) aplicar técnicas apropriadas de gestão e exploração dos sistemas (gestão em tempo real) (real time management) Objectivo: Controlo da qualidade da água no meio receptor afastar a descarga do meio receptor sensível tratar a massa líquida escoamento superficial ( overland flow ) lagunagem etc DU - 12

13 Diversos PRINCÍPIOS: A concepção deve dar-se numa fase inicial do planeamento urbanístico, especialmente em áreas críticas - zonas planas - zonas sob efeitos de maré (tidal areas) Redução da extensão das redes de colectores e dos respectivos diâmetros maximizar o percurso superficial da água pluvial (sobretudo nas cabeceiras) favorecer a integração de áreas permeáveis (zonas verdes, pavimentos porosos ) (Extensão menor que a rede doméstica) Adopção de soluções de drenagem não convencionais: bacias de amortecimento (retention basin or retention ponds) câmaras drenantes (infiltration chambers) Preocupação com a qualidade da água do meio receptor (devida à poluição veiculada pelos caudais pluviais após os períodos estivais) DU - 13

14 Diversos TRAÇADO DA REDE E DEFINIÇÃO DE BACIAS E SUB-BACIAS Sub-bacias Meio receptor Colector pluvial (rainwatersewer) Bacia de cabeceira (upstream catchment or drainage bassin) Implantação ao eixo dos arruamentos Definição correcta dos limites da bacia hidrográfica e das sub-bacias afectas a cada troço da rede Redes separativas - em planta, o traçado dos colectores das duas redes deve apresentar sempre a mesma posição relativa (DR nº 23/95, artigo 135.º, ponto 5: para minimizar os riscos de ligações indevidas de redes ou ramais, deve adoptar-se a regra de implantar o colector doméstico à direita do colector pluvial, no sentido do escoamento ). DU - 14

15 Diversos ETAPAS DE DIMENSIONAMENTO (design steps) No dimensionamento de uma rede de drenagem de águas pluviais podem considerar- -se três etapas fundamentais: 1. Definição dos elementos de base 2. Cálculo dos caudais pluviais de projecto 3. Dimensionamento hidráulico dos colectores 1. DEFINIÇÃO DE ELEMENTOS DE BASE Definição do período de retorno T (return period) (varia, em regra, entre dois e dez anos): corresponde ao intervalo de tempo médio associado à ocorrência de precipitação de intensidade média superior a um dado valor. Conhecimento do regime pluviométrico local curvas IDF (intensity- duration-frquency) Definição dos coeficientes de escoamento para cada sub-bacia (runoff coefficient) Definição dos tempos de concentração iniciais t c (initial concentration times) Definição dos condicionalismos, principalmente de natureza hidráulica, associados à descarga final das águas pluviais no meio receptor. DU - 15

16 Caudais 2. CÁLCULO DE CAUDAIS PLUVIAIS Métodos - empíricos - semi-empíricos - conceptual - semi-conceptual Método Racional (semi-conceptual) Mulvaney, 1851 e Kuickling, 1889 (posteriormente divulgada em Inglaterra por Lloyd-Davis) Q pluvial = C x I x A sendo: Q pluvial - caudal pluvial a drenar pelo colector (m 3 /s) C - coeficiente de escoamento (-) I - intensidade de precipitação ( m3 /(ha.s)) A - área da bacia a drenar (ha) DU - 16

17 Caudais HIPÓTESES DE BASE: Linearidade entre a precipitação útil (C x I) e o caudal de ponta (Q) ocorrência do caudal de ponta coincide com o instante em que a totalidade da bacia está a contribuir para o escoamento, ou seja, ao fim de um intervalo de tempo igual ao tempo de concentração, tc O único parâmetro representativo da relação precipitação-escoamento é o coeficiente C O coeficiente C engloba vários factores: relação entre o volume de água escoada e a precipitação efeitos de retenção no solo efeitos de regolfo e atraso do escoamento superficial no terreno, linhas de água naturais e colectores que dependem das características físicas e de ocupação da bacia do estado de humidade do solo da duração e distribuição da precipitação antecedente DU - 17

18 Caudais Estudos de Horner e Flynt (3 bacias de drenagem de águas pluviais da cidade de St. Louis, EUA) estudaram precipitações e caudais como fenómenos independentes. Foi verificada uma certa constância, por bacia, entre precipitações e caudais da mesma frequência. A fórmula racional tem um significado estatístico (e não determinístico) não sendo legítimo adoptá-la para o cálculo do caudal de ponta pluvial correspondente a um determinado hietograma típico, não uniforme. Neste caso, deve-se recorrer a métodos mais sofisticados que considerem o caudal como um resíduo da precipitação. Estes métodos são também aconselháveis quando se pretenda gerar um hidrograma a partir de um determinado hietograma. A intensidade de precipitação I deve ser avaliada para condições críticas (para t = tc) Para durações inferiores, nem toda a bacia contribui para o caudal de ponta máximo; para durações superiores, é menor a intensidade de precipitação logo menor o caudal correspondente. Aplicação: bacias com A > 200 a 2000 ha não vocacionado para bacias rurais ou semi-rurais DU - 18

19 Caudais Valores médios do coeficiente C do Método Racional (ASCE, Manual nº 37): DU - 19

20 Caudais Intensidade de precipitação I = a. t b sendo: t - tempo de concentração da sub-bacia a, b - parâmetros da curva IDF DU - 20

21 Caudais Método Racional Generalizado Costa, 1956 Q V1 t = 2 γ C V t c I A sendo, V1 - volume correspondente à parte ascendente do hidrograma (m 3 ) V - volume total do hidrograma (m 3 ) t - duração da precipitação de projecto (h) tc - tempo de concentração da bacia (h) γ - coeficiente de regolfo. 2 V1/V - exprime o efeito de retenção e armazenamento: é mínimo em bacias naturais e máximo em bacias totalmente impermeáveis (em que iguala a unidade). t/tc - exprime o desfasamento entre o fim da chuvada e o instante em que se verifica o caudal de ponta: é mínimo para bacias naturais (onde toma o valor 0,7) e admite-se que iguale a unidade em bacias totalmente impermeáveis ou altamente canalizadas. DU - 21

22 Caudais Coeficiente de redução global do método racional generalizado C1 = C (2 v1/v) (t/tc) DU - 22

23 Colectores 3. DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DE COLECTORES CRITÉRIOS DE PROJECTO Altura máxima do escoamento (h/d) 1 Velocidade máxima de escoamento V máx = 5 m/s Velocidade mínima de escoamento V mín = 0,9 m/s (para colectores unitários ou separativos pluviais) Critério de auto-limpeza Sendo inviáveis os limites referidos anteriormente, como sucede nos colectores de cabeceira, devem estabelecer-se declives que assegurem estes valores limites para o caudal de secção cheia. Profundidade mínima (Art. 137) Prof. / 1 m Diâmetro mínimo (Art. 134) D mín = 200 mm Inclinações mínimas e máximas 0,3% e 15% (por razões construtivas) J mín = 1/ D (mm) Norma Europeia DU - 23

24 Colectores PROCEDIMENTO DE CÁLCULO Dimensionamento de montante para jusante as áreas A crescem sucessivamente as intensidades I decrescem sucessivamente os caudais Q p crescem, em regra, sucessivamente 1 - Análise da área de projecto e traçado da rede em planta. Caracterização de condicionalismos (cotas e níveis de água no meio receptor, atravessamentos com outras infra-estruturas ) 2 - Fixação do período de retorno, T. 3 - Selecção da curva IDF para a zona em estudo e para o período de retorno escolhido. 4 - Definição das sub-bacias em cada secção de cálculo área drenante A 5 - Determinação do coeficiente global médio ponderado para a bacia definida em cada secção de cálculo C = ( i C i A i ) / i A i DU - 24

25 Caudais 6 - Determinação do tempo de concentração, t c t = + t c t e t p p L = Σ V j j Tempos iniciais (para bacias de cabeceira): Inclinação do terreno AI < 50% AI > 50% (min) (min) muito inclinado inclinado médio e plano Determinação da intensidade média de precipitação I para uma duração igual ao t c (a partir das curvas IDF) I = a. t b DU - 25

26 Colectores 8 - Cálculo do caudal de projecto, por intermédio da seguinte expressão (método racional): Q p = i C i x A i x I 9 - Fixação do diâmetro e inclinação do colector, tendo em conta: a minimização de custos condicionalismos técnicos e regulamentares de implantação do colector (profundidade de assentamento mínima) satisfação dos critérios hidráulicos (capacidade de escoamento, velocidade máxima e poder de transporte) 10 - Determinação da velocidade, altura do escoamento e tensão de arrastamento no colector definido (D, i), em função do caudal de ponta 11- Determinação do tempo de percurso, t p, ao longo do troço de colector considerado no passo 10º 12- Adição do tempo de percurso calculado no passo anterior ao tempo de concentração calculado no passo 6º. 13- Repetição de todos os passos de cálculo, de montante para jusante, a partir do passo 5º, para as sucessivas secções de cálculo. DU - 26

27 Colectores Características Hidráulicas do Escoamento Q θn+ 1 senθn 063 Ks J = + 0,6 1,6 0,4 6, D θn Conhecidos i colector, D e Q dim : a) calcular Q f e V f b) determinar a relação Q dim / Q f c) utilizar o ábaco das propriedades hidráulicas das secções circulares: Q dim / Q f curva de Q y / D y y / D curva de V V / V f V DU - 27

28 Colectores QUADROS DE CÁLCULO - Exemplos Quadro 1 Cálculo do coeficiente C para cada sub-bacia. Sub-bacia A i b TT Ψ 1 AI C 1 [ - ] [ha] [%] [ - ] [ - ] [%] [ - ] B % SA % 0.26 B % SA % 0.56 B % C % 0.38 B % SA % 0.86 Quadro 2 Parâmetros das curvas I-D-F. Símbolo Unidades Valor T anos 10 a b Quadro 3 Dimensionamento hidráulico-sanitário de colectores. Trecho Sub-bacias L A i L i. A i C 1p V inic t i t p t c I Q D aprox D com D int i Q sc V sc τ sc V real [ - ] [ - ] [m] [ha] [m.ha] [ - ] [m/s] [min] [min] [min] [l/(ha.s)] [l/s] [mm] [mm] [mm] [%] [l/s] [m/s] [N/m 2 ] [m/s] P12-P11 B % P11-P10 B1-B % P10-P9 B1-B % P9.4-P9.3 B % P9.3-P9.2 B4-B % P9.2-P9.1 B4-B5' % P9.1.2-P9.1.1 B % P9.1.1-P9.1 B % P P B % P P9.1 B7-B % DU - 28

29 Colectores IMPLANTAÇÃO EM PERFIL LONGITUDINAL DU - 29

30 Colectores Trechos com que arrancam com a profundidade mínima: i terreno < i mímima i mínimo Regra geral: i ideal < i mínimo i mínimo i mínimo < i ideal < i máximo i ideal i ideal - inclinação que se obtém unindo a cota de soleira da caixa de visita de montante, com a cota da caixa de visita de jusante a que corresponde a profundidade mínima. Se i ideal > i máximo i máximo e recorrer a uma câmara de visita com queda. Se colector a montante estiver a uma profundidade superior à mínima, adoptar um declive que traga o colector, a jusante, para a profundidade mínima regulamentar ou a exequível, face ao i mínimo aceitável. DU - 30

31 Colectores Diâmetro e outras regras do perfil longitudinal ART. 135º Nas redes unitárias e separativas pluviais, pode aceitar-se a redução de secção para jusante, desde que se mantenha a capacidade de transporte. ART. 159º inserção de um colector noutro deve ser efectuado no sentido do escoamento alinhar geratrizes interiores superiores (evitar regolfos e entupimentos e garantir a continuidade da veia líquida) quedas simples (se desnível 0,50 m) ou guiadas (se > 0,50 m) se a profundidade da câmara de visita exceder os 5 m, construir um patamar de segurança a meio, com passagens não coincidentes. ART. 26º a 28º Vala tipo: DU - 31

32 Disp. Intercep. DISPOSITIVOS INTERCEPTORES Tipos de dispositivos Sarjetas de passeio Sumidouros Sistema conjunto sarjeta-sumidouro Cabeceira Percurso Colocação de forma a: Terem capacidade de intercepção adequada Serem cumpridos os critérios de escoamento de superfície: Não transbordamento (h < hmáx) Limitação da velocidade (v<3 m/s) DU - 32

33 Disp. Intercep. ESCOAMENTO DE SUPERFÍCIE EM VALETAS aplicada a expressão de Gauckler-Manning-Strickler: Qo = Ao/N R 2/3 i 1/2 arruamento com declive transversal constante admitindo que o perímetro molhado pode ser aproximado à largura superficial do escoamento admitindo escoamento em regime uniforme (se as secções de cálculo se situarem a jusante de troços de comprimento superior a 15m e com características geométricas aproximadamente constantes) Q y 0 = 1, 542 tgθ N J DU - 33

34 Disp. Intercep. SARJETAS DE PASSEIO INSTALADA SEM DEPRESSÃO Q = L K yo 3/2 g 1/2 sendo, Q L yo - caudal captado pela sarjeta (m 3 /s); - comprimento da boca da sarjeta (m); - altura uniforme do escoamento, a montante da sarjeta (m); g - aceleração da gravidade (m/s 2 ); K - constante empírica, função da inclinação transversal do arruamento, cujo valor é 0,23 ou 0,20 (para i= 8% ou i= 2 a 4%, respectivamente). DU - 34

35 Disp. Intercep. SARJETAS DE PASSEIO INSTALADA COM DEPRESSÃO sendo, a - valor da depressão ( 3 cm para não afectar as rodas dos veículos); θ - ângulo que o plano do pavimento forma com o do lancil do passeio (graus); y - altura do escoamento na extremidade de montante da sarjeta(m); V - velocidade média do escoamento escoamento y (m/s); F - número de Froude do escoamento na depressão. y e V determinadas recorrendo ao teorema de Bernoulli: Q 2 (2g Ao 2 + yo + a = ) Q 2 (2g A 2 + y ) DU - 35

36 Disp. Intercep. DU - 36

37 Disp. Intercep. SUMIDOUROS INSTALADOS SEM DEPRESSÃO Comprimento mínimo necessário (assegurar comportamento eficiente caudal escoado sobre a grelha que prossegue para jusante, q3, é nulo): Lo = m Vo (yo/g) 1/2 sendo, Lo - comprimento útil do sumidouro (m); m - constante empírica: m = 4 se a grade do sumidouro não contiver barras transversais; m = 8 no caso se ter três daquelas barras. DU - 37

38 Disp. Intercep. DU - 38

39 Disp. Intercep. SUMIDOUROS INSTALADOS EM VALETA REBAIXADA DU - 39

40 Disp. Intercep. SÍNTESE Sarjetas devem ser rebaixadas (Q < 20 l/s, em regra) Sumidouros simples para Q < 50 l/s Sumidouros duplos para Q < 100 l/s DU - 40

41 INTRODUÇÃO À DRENAGEM URBANA Disp. Intercep. Desenhos tipo (exemplos) DU - 41

42 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

43 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

44 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

45 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

46 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

47 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

48 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

49 Bacias DU - 49

50 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

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

52 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

53 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

54 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

55 Câm. Drenantes Metodologia de cálculo DU - 55

56 MODELAÇÃO DE SISTEMAS DE SANEAMENTO DU - 56

57 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

58 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

59 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

60 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

61 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

62 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

63 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

64 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

65 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

66 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 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 Flupol HydroWorks/ InfoWorks MOUSE S SAMBA SWMM S SIMPOL DU - 66

67 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 poluentes em sarjetas acumulação linear e diluição no volume da caixa de 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 transformação/decaimento de poluentes N S S equação de advecção S S S S equação de advecção-dispersão - consideração de estruturas de sedimentação/tratamento S S S SWMM DU - 67

68 BENEFICIAÇÃO DE SISTEMAS UNITÁRIOS DU - 68

69 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

70 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

71 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

72 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

73 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

74 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

75 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

76 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

77 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO DU - 77

78 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO DU - 78

79 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE ARMAZENAMENTO DU - 79

80 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

81 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

82 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

83 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

84 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

85 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