ESTUDO DE UM RESERVATÓRIO DE DETENÇÃO ATRAVÉS DE MODELAGEM HIDRODINÂMICA Marllus Gustavo F. P. das Neves, Rutinéia Tassi e Adolfo O. N. Villanueva 1 Resumo Os reservatórios de detenção apresentam-se hoje como uma alternativa inserida em uma nova maneira de tratar a drenagem urbana, tentando diminuir o impacto causado pelo aumento da impermeabilização. No entanto, antes da adoção desta alternativa, é necessário um completo entendimento do comportamento hidráulico da mesma, e o impacto que a implantação causará em toda sua área de influência. Em Porto Alegre, a implantação da bacia de detenção da avenida Polônia vem provocando alagamentos freqüentes nas ruas em que é responsável pela drenagem. Este artigo procura identificar onde estão os pontos críticos no funcionamento da rede de drenagem, e analisar uma alternativa para solucionar este problema. Foi utilizado um modelo hidrodinâmico. Os resultados mostraram a identificação dos pontos críticos na rede de drenagem para chuvas mais freqüentes e o desempenho da solução proposta. Abstract Detention reservoirs appear nowadays as an alternative in the new approach to the urban drainage, trying to reduce the impact caused by the increase in impermeabilization. However, it is necessary before the adoption of this alternative, a complete understanding of the hydraulic behavior of the reservoirs, and the impact this implantation will cause in its area of influence. In Porto Alegre, the implantation of the detention basin in the Polônia avenue is causing frequent floodings in the sourrounding streets where it is responsible for the drainage. This study tries to identify where are the critical points in the work of the drainage network and to analyze an alternative to solve the problems. A hydrodynamic model was used. The results showed the identification of the critical points in the drainage network for more frequent rains and the performance of the proposed solution. Palavras-Chave hidrologia urbana, reservatório de detenção, modelo hidrodinâmico 1 Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS, Caixa Postal 15029, CEP 91501-970, Porto Alegre, RS
INTRODUÇÃO Nos centros urbanos em processo de expansão, os sistemas de macro-drenagem vão se tornando insuficientes à medida em que a ocupação, e portanto a impermeabilização das bacias aumenta. Isto pode aumentar a freqüência de enchentes a jusante e aumentar a área da planície de inundação. Como resultado do aumento da área impermeável e densidade de drenagem, os canais urbanos recebem maiores taxas de vazão de pico em menor tempo que os córregos naturais. Surge então a necessidade de ampliação do sistema de drenagem, que é muitas vezes inviável, porque gera grandes transtornos no entorno da obra, como relocação de cabos telefônicos, adutoras de água, interrupções no tráfego, e pode resultar em obras de alto custo. Além de todos esses inconvenientes, não representa uma alternativa muito eficaz, visto que transfere para jusante o problema. Uma das alternativas possível é a utilização de uma medida de controle estrutural como reservatórios de detenção (ou bacias de detenção). Estes reservatórios têm como objetivo amortecer os picos de enchentes e retardar o escoamento, propiciando um aumento no tempo de concentração, aliviando o funcionamento da rede de drenagem. Podem ter disposição e forma variada, de acordo com as características da bacia onde será implantado. O reservatório possui uma área de contribuição significativa, caracterizando um sistema de contenção a jusante (Urbonas e Staher,1993). Para o projeto e implantação, devem ser analisadas as características físicas, o tipo de ocupação, as condições sócio-econômicas da bacia, para que possa ser escolhido o tipo e o local de detenção. Também deve ser analisada a relação custo benefício de cada solução proposta de forma a ter um sistema otimizado. Além desses fatores, um completo estudo sobre o impacto causado pela implantação da bacia de detenção deve ser realizado. Essa etapa é necessária para que sejam identificadas todos os possíveis efeitos que o sistema então implantado pudesse trazer à região. Algumas vezes, resolve-se o problema para o qual foi proposto, mas se gera outros inconvenientes. Um exemplo disto seria a colocação de um reservatório numa região plana que recebe água de outras regiões íngremes a montante. Apesar de resolver os problemas a jusante, a bacia de detenção pode afogar a rede afluente, através de remanso, gerando também escoamento sob pressão nesta. Um caso semelhante a este foi objeto de estudo deste trabalho. Trata-se de um caso real, pois a bacia de detenção já está construída e em funcionamento.
REGIÃO ESTUDADA Porto Alegre possui um sistema de proteção contra enchentes. Este sistema prevê que as regiões que estão acima da cota 9,00 m devem ser drenadas por gravidade até o lago Guaíba (Rauber, 1992). A região em estudo é parte deste sistema e também está localizada na bacia Almirante Tamandaré. Em 1997, a construção de um conduto foçado na Av. Polônia foi estudada, tendo este uma extensão de aproximadamente 1900 m. A concepção original do projeto, era formada por uma galeria com duas células: uma com 1,30 x 1,25m e outra com 2,05x1,25 m e com a função de drenar a bacia contribuinte acima da confluência da Av. Polônia com a Av. Benjamin Constant (PROJETO, 1997). Após uma análise posterior, do qual não se dispõe de informações, chegou-se à conclusão que não seria necessária a construção de uma das células do Conduto Forçado, caso fosse implantada uma Bacia de Detenção na porção de montante do mesmo. A bacia de detenção funciona como uma praça, com quadra de esportes, e a chegada da drenagem até a mesma é feita através de uma abertura superior no conduto que passa sob a mesma. A figura 1 mostra a bacia de contribuição, localização da rede de drenagem, incluindo o Conduto Forçado e a Bacia de Detenção. A bacia de contribuição do conduto forçado, destacada na figura 1, tem uma área de aproximadamente 0,55 Km 2 e encontra-se densamente abitada, com uma densidade populacional de 49,25 hab/ha; a previsão é que no futuro haja aproximadamente 175 hab/ha morando nessa região (PLANO, 2000). Na figura 2 estão algumas fotos do reservatório, tiradas no sentido reservatório-lago Guaíba,. Este serve de área de recreação quando não há enchentes. Nas fotos c, e e f, podem ser vistas aberturas do Conduto Forçado, que trabalham no enchimento da bacia quando o escoamento ocorre sob pressão. Após a implantação da bacia de detenção surgiram reclamações, principalmente dos moradores da Av. Benjamin Constant, que a água estaria ficando armazenada nas ruas e que as bocas-de-lobo estariam devolvendo água, ao invés de captá-la. Este estudo procurou fazer uma avaliação qualitativa da atual configuração da rede de drenagem existente, e propor uma alternativa que viesse minimizar os problemas anteriormente citados. Para que isto seja possível, é necessário dispor de ferramentas que possam representar fenômenos como influência de jusante e o escoamento sob pressão. Neste estudo, esta influência ocorre no Conduto Forçado devido ao lago Guaíba e na rede da bacia contribuinte, nas imediações da Av. Benjamin Constant, devido ao reservatório de detenção.
Figura 1. Região estudada SITUAÇÕES ESTUDADAS Os dois casos avaliados neste estudo foram: Situação da rede existente: a rede de drenagem que atualmente compõe o sistema, ou seja, um único conduto que chega à bacia de detenção e que recebe toda a rede da avenida Benjamin Constant. Alternativa proposta: nesta alternativa faz-se com que parte da drenagem que entra no Conduto Forçado, através da Av. Benjamin Constant, seja desviada para o reservatório diretamente. Dessa forma a medida aliviaria o Conduto Forçado, reduzindo as cargas existentes no mesmo. Para a avaliação destas duas alternativas, foram utilizados dois cenários de ocupação da bacia. Um que retrata as atuais condições de ocupação, e outro, para as condições de ocupação previstas o Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano de Porto Alegre de 1994. Os alagamentos têm ocorrido freqüentemente, de modo que a análise se concentrou nas chuvas com o tempo de retorno de 2 anos. Foram tomados hidrogramas de projeto, gerados na bacia contribuinte. Estes hidrogramas são condições de contorno externas de montante e lateral, no modelo utilizado. A transformação chuvavazão foi realizada com o modelo IPHS1 (Tucci.et al., 1989), e o algoritmo de infiltração utilizado foi o SCS. O valor do CN (curva número do método SCS) foi obtido através de uma relação entre Densidade, em hab/ha, e Área impermeável, em porcentagem (Tucci, 1993). Os hidrogramas
resultantes refletem duas situações de ocupação da bacia contribuinte: a ocupação atual e a ocupação futura, também denominada neste artigo como pddu. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 2. Fotos do reservatório de detenção (f) MODELO UTILIZADO Utilizou-se um modelo hidrodinâmico que vem sendo desenvolvido no IPH (Villanueva, 1990; Ramseyer, 1996; Neves, 2000), para representar as condições de escoamento numa rede de drenagem
de águas pluviais. O modelo foi montado sob o princípio de que, a qualquer momento, a maior parte do fluxo pode ser representada pelas equações de Saint Venant. Para o fluxo livre subcrítico, elas são utilizadas na forma completa. Com fluxo sob pressão, as equações são adaptadas utilizando a fenda de Preissmann. Para o fluxo supercrítico, adota-se a simplificação do modelo de difusão. Esta decisão é tomada automaticamente. Os casos especiais são tratados como condição de contorno interna (degraus, poços de visita, reservatórios, etc.) com equações específicas. O modelo é capaz de simular remansos e inversão de escoamento, além do escoamento sob pressão, inclusive devido a estrangulamentos de seção transversal a jusante de uma seção qualquer. A discretização é realizada através do esquema implícito de diferenças finitas de quatro pontos de Preissmann. O modelo trata a rede como um conjunto de trechos e nós; em um nó, confluem dois ou mais trechos e um trecho une dois nós. O modelo informa, em cada trecho, a vazão máxima, em que seção ocorreu, se houve carga ou não correspondente e o intervalo de tempo em que ocorreu esta vazão. Da mesma forma, a carga máxima, em que seção ocorreu, a vazão correspondente e o intervalo de tempo em que ocorreu esta carga. O modelo fornece também como resultado as cargas máximas nos nós. Outra informação é a quantidade de água que não entra na rede. Dependendo da capacidade de condução dos condutos que saem de um determinado nó extremo de montante, parte das condições de contorno externas podem se tornar vazão excedente. Esta vazão teria as ruas para seu escoamento natural. O excedente de vazão em um conduto também pode aparecer lateralmente, quando parte da condição de contorno externa lateral não entra no conduto. Com esta ferramenta, foi possível avaliar as condições de inundação na região estudada, identificando os trechos onde ocorrem problemas. Para o tempo de retorno de 2 anos, identificaram-se os pontos de alagamentos, apontando para soluções. AVALIÇÃO DA REDE DE DRENAGEM EXISTENTE A rede existente atualmente corresponde à figura 1 e a topologia utilizada para representar a rede no modelo encontra-se na figura 3. A tabela 1 faz a correspondência entre os nós, trechos e locais na região. Os hidrogramas que chegam e saem do reservatório estão na figura 4. Nesta figura, PDDU corresponde à situação de ocupação futura e procura simular o que ocorreria se nenhuma medida fosse tomada para resolver os problemas, mesmo sabendo que haveria crescimento populacional na região, com o aumento da urbanização e do escoamento superficial. A vazão máxima de chegada ao
reservatório para a situação de ocupação atual é de 2,48 m 3 /s, enquanto que a mesma é de 4,09 m 3 /s para a ocupação futura. Tabela 1. Locais correspondentes à topologia utilizada na figura xx Trecho Local correspondente Nó Local correspondente 1 Rua Marcelo Gama, entre as ruas Américo Vespúcio e Coronel Manoel 1 Início do trecho 1 2 Rua Marcelo Gama, entre a rua Poço de visita na transição entre o fim Coronel Manoel e a av. Benjamin 2 do trecho 1 e início do trecho 2 Constant 3 Rede da rua Barão de Cotegipe, até a rede da rua Marcelo Gama 3 Início do trecho 3 4 Rua Marcelo Gama, até a av. Poço de visita na confluência entre as Benjamin Constant. Drena a água 4 redes dos trechos 2, 3 e 4. proveniente do trecho 3 acima. 5 Rede paralela ao trecho 2 acima 5 Início do trecho 5 6 Av. Benjamin Constant, entre as ruas Felicíssimo de Azevedo e Marcelo 6 Início do trecho 6 Gama 7 Conduto Forçado na av. Benjamin Poço de visita na confluência entre as Constant, entre as ruas Marcelo Gama 7 redes dos trechos 4, 5, 6 e 7 e Zamenhoff 8 Conduto Forçado na av. Polônia, antes Poço de visita na transição entre o fim 8 do reservatório do trecho 7 e início do trecho 8 9 Conduto Forçado na av. Polônia, do reservatório ao Guaíba. 9 Reservatório de detenção 10 Chegada ao lago Guaíba
Figura 3. Topologia utilizada para representar a rede no modelo 5 4.5 4 3.5 Vazão afluente ao reservatório para Tr = 02 anos - atual Vazão que sai do reservatório para Tr = 02 anos - atual Vazão afluente ao reservatório para Tr = 02 anos - pddu Vazão que sai do reservatório para Tr = 02 anos - pddu Vazão (m3/s) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tempo (minutos) Figura 4. Hidrogramas de chegada e saída do reservatório para a rede existente O amortecimento para a ocupação futura é bem maior que da ocupação atual; 33,0% na primeira e 11,6% na segunda. Contudo, há afogamento na rede. A simulação detectou alagamentos nos pontos
ilustrados na figura 5. Nesta figura, pode ser visto que a Av. Benjamin Constant alaga no início do trecho 6, no trecho 7 e na entrada do trecho 8. Condutos Figura 5. Pontos com alagamento na rede existente atualmente Na figura 4, o hidrograma de entrada no reservatório correspondente à ocupação futura (pddu) apresenta um aumento de vazões, aproximadamente aos 72 min. Isto se deve a que o reservatório começa a esvaziar. Com isso, a água que estava represada nos condutos começa a ser liberada. Na figura 6, há perfis de linha d água para 72 e 73 min. Para a ocupação atual não há diferença significativa na linha d água, enquanto que, para a situação de ocupação futura, a linha d água cai de modo que o reservatório seca. A localização deste está também identificada na figura 3. Ela corresponde ao nó 9. A figura 7 mostra que os trechos 6, 7 e 8 funcionam sob pressão no momento do pico do hidrograma de chegada no reservatório, para ocupação futura (figura 4). Com isto, a vazão lateral no trecho 7 não consegue entrar, alagando o mesmo.
5 4.5 4 Fundo Topo 72 min pddu 73 min pddu 72 min atual 73 min atual Reservatório 3.5 3 Cota (m) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Distância (m) Figura 6. Linha d água em 72 e 73 min, relativos aos hidrogramas da figura 4, nos trechos 7, 8 e 9 5.5 5 fundo Topo 32 min pddu 4.5 4 Cota (m) 3.5 3 2.5 2 1.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Distância (m) Figura 7. Linha d água no pico de chegada ao reservatório para a ocupação futura, nos trechos 6, 7 e 8
A figura 8 mostra a vazão lateral excedente, para os trechos 1 e 7, confirmando, portanto, os alagamentos ocorridos no trecho 7. Já a figura 9 mostra o excedente de montante do trecho 6, responsável pelo alagamento no nó 6. 0.8 0.7 trecho 1 trecho 7 0.6 0.5 Vazão (m 3 /s) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 Tempo (min) Figura 8. Excedente lateral dos trechos 1 e 7 para a ocupação futura 0.25 0.20 Vazão que não entra no trecho 6 Vazão (m 3 /s) 0.15 0.10 0.05 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tempo (min) Figura 9. Excedente de montante do trecho 6 para a ocupação futura
ALTERNATIVA PROPOSTA Na alternativa proposta neste estudo, as áreas contribuintes dos trechos 6 e 7, destacadas na figura 10, seriam drenadas não mais através da Av. Benjamin Constant, mas para o reservatório diretamente, como mostra a figura 11. Nesta figura, encontra-se a topologia correspondente à nova configuração proposta. O nó 10 agora representa o reservatório, o trecho 9 recebe a água que anteriormente era transportada para o trecho 7 e o trecho 6 é desviado para o nó 10. A tabela 2 contém as correspondências de todos os trechos e nós. Figura 10. Áreas drenadas pelos trechos 6 e 7, atualmente Tabela 2. Locais correspondentes à topologia utilizada na figura xx Trecho Local correspondente Nó Local correspondente 6 9 10 Av. Benjamin Constant, entre as ruas Felicíssimo de Azevedo e o 6 Início do trecho 6 reservatório Drena região que antes contribuia para 9 o trecho 7 pela rua Zamenhoff Início do trecho 9 Conduto Forçado, correspondente ao trecho 9 da tabela xx 10 Reservatório de detenção 11 Chegada ao lago Guaíba
Figura 11. Topologia utilizada para representar a alternativa proposta Os hidrogramas que chegam e saem do reservatório estão na figura 12. A ocupação futura desta vez simula o que ocorreria se fosse adotada esta alternativa, ou seja, drenar parte da água que entraria no conduto forçado, na Av. Benjamin Constant, trecho 7 das figuras 3 e 11, diretamente para o reservatório, bem como fazer o mesmo para o trecho 6. A vazão máxima de chegada ao reservatório para a situação de ocupação atual é de 2,48 m 3 /s, enquanto que a mesma é de 4,82 m 3 /s para a ocupação futura. Isto pode ser visualizado na figura 12. A simulação, para este caso, também mostrou um aumento de vazão na recessão dos hidrograma para a ocupação futura, ocorrendo aproximadamente aos 77 min. A explicação é a mesma feita para a situação da rede existente.
5 4.5 4 3.5 Vazão afluente ao reservatório para Tr = 02 anos - pddu Vazão que sai do reservatório para Tr = 02 anos - pddu Vazão afluente ao reservatório para Tr = 02 anos - atual Vazão que sai do reservatório para Tr = 02 anos -atual Vazão (m3/s) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tempo (minutos) Figura 12. Hidrogramas de chegada e saída do reservatório para a alternativa A figura 13 mostra os pontos com alagamento com a alternativa proposta. Os alagamentos da avenida Benjamin Constant se reduzem bastante, apesar da entrada do trecho 8 (nó 8) continuar apresentando problemas. O trecho 7 não apresenta alagamento, pois não há mais entrada lateral de água. Os excessos de vazão lateral ocorrem somente no trecho 1. Os problemas da região do trecho 6 também diminuem. Na simulação da alternativa proposta, aumentou-se o diâmetro do trecho 6 de 0,80 m para 1,0 m, com o objetivo de não acumular água no nó 6, fazendo com que todo o volume chegasse ao reservatório. Dessa forma, não houve excedente de montante significativo no trecho. As figuras 14 e 15 ilustram, comparativamente, a variação de cotas no reservatório ao longo da simulação para a situação da rede existente e para o proposto neste estudo. Para a ocupação atual, a adoção do desvio da drenagem provoca um aumento altura no reservatório de somente 0,03 m. Para a ocupação futura, o aumento foi de 0,12 m.
Condutos Figura 13. Pontos com alagamento com as alterações propostas 3.4 3.2 Cota - alternativa Cota - existente Cota de Fundo da Bacia 3 Vazão (m3/s) 2.8 2.6 2.4 2.2 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tempo (minutos) Figura 14. Cotas no reservatório para a ocupação atual. Rede existente x alternativa.
4.5 4 Cota - alternativa Cota - existente Cota Fundo da Bacia Vazão (m3/s) 3.5 3 2.5 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tempo (minutos) Figura 15. Cotas no reservatório para a ocupação futura. Rede existente x alternativa. CONCLUSÕES O objetivo deste artigo foi mostrar que a implantação de medidas estruturais como os reservatórios deve ser feita observando possíveis inconvenientes que possam ocorrer no sistema, devido a fenômenos que em geral não são levados em consideração nos projetos. Para isto, deve-se dispor de uma ferramenta capaz de simular efeitos de jusante e escoamento sob pressão, no caso o modelo hidrodinâmico. Em regiões planas como a estudada, o remanso causado pela elevação nos níveis do reservatório pode inclusive provocar cargas na rede de drenagem que chega ao mesmo. Quanto ao caso em estudo, pode-se afirmar que, para as chuvas mais freqüentes, foram detectadas pelas simulações os pontos críticos na região da bacia de detenção da avenida Polônia, confirmando o que vem sendo apontado pela população local. Se não houver uma medida que leve em consideração a expansão urbana, o problema se agrava. No caso de se implantar a alternativa proposta, ela certamente melhorará as condições, aliviando a rede de drenagem que chega ao reservatório. Vale ressaltar que, para este artigo, não foram feitas simulações com tempos de retorno maiores. Certamente os problemas para a situação atual aumentariam e talvez soluções simples como a proposta não resolvessem o problema.
AGRADECIMENTOS DEP (Departamento de Esgotos Pluviais da Prefeitura Municipal de Porto Alegre), PRONEX- FINEP, CAPES e CNPq. Aos colegas Sidnei Gusmão Agra, Vladimir Caramori Borges de Souza, Walter Collischonn pelas fotos do reservatório. REFERÊNCIAS CAMPANA, N. A., TUCCI, C.E.M. 1994. Estimativa da área impermeável de macro-bacias urbanas. Revista Brasileira de Engenharia. Vol. 12. N 2. (Dez 1994). p 79-94. NEVES, Marllus Gustavo Ferreira Passos das. 2000. Modelo hidrodinâmico de redes de drenagem de águas pluviais: aplicabilidade. Porto Alegre: UFRGS - Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. 165f. Dissertação (Mestrado Engenharia). PORTO ALEGRE. Prefeitura Municipal. Secretaria de Planejamento Municipal. 1994. 1o. PDDU : Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano de Porto Alegre. Porto Alegre, RS. PLANO Diretor de Drenagem Urbana: Bacia do Arroio Almirante Tamandaré. 2000. Porto Alegre: Departamento de Esgotos Pluviais: Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS. v.4. [Em andamento]. PROJETO de drenagem urbana. Execução de estudos e projetos para implantação da III perimetral e macrodrenagem das regiões abrangentes. Conduto Forçado avenida Polônia. 1997. Porto Alegre: Secretaria Municipal de obras e viação: Consórcio Encop-Engemin-Esteio. tomo I RAMSEYER, Juan Santiago. 1996. Modelo hidrológico-hidrodinâmico de redes de pluviais. Porto Alegre: UFRGS - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. 106f. Dissertação (Mestrado Engenharia). RAUBER, Vicente 1992. Prevenir é o melhor remédio: sistemas de proteção contra inundações e alagamentos de Porto Alegre. Porto Alegre: Prefeitura Municipal.
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