Hidrologia urbana 2 Lima

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Hidrologia urbana
Sistemas de drenagem
de águas pluviais urbanas
Coordenação científica:
João Pedroso de Lima
Autoria:
Alfeu Sá Marques
João Pedroso de Lima
Joaquim Sousa
Nuno Eduardo Simões
Rui Pina
Programa
Hidrológico
Internacional
Comissão Portuguesa
Organização
das Nações Unidas
para a Educação,
a Ciência e a Cultura
FICHA TÉCNICA
Título:
Hidrologia urbana – Sistemas de drenagem de águas pluviais urbanas
Coordenação científica:
João Pedroso de Lima (Universidade de Coimbra)
Autoria:
Alfeu Sá Marques
(Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra)
João Pedroso de Lima
(Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra)
Joaquim Sousa
(Instituto Superior de Engenharia do Instituto Politécnico de Coimbra)
Nuno Eduardo Simões
(Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra)
Rui Pina
(AC, Águas de Coimbra, EEM)
Comissão técnica de apreciação:
Jaime Melo Baptista, Álvaro Carvalho
Edição:
Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e Resíduos
Universidade de Coimbra
Conceção gráfica:
Dimensão 6, comunicação, design, publicidade, Lda.
Revisão linguística:
Laurinda Brandão
Composição, paginação, impressão e acabamentos:
Seleprinter – Sociedade Gráfica, Lda.
Tiragem:
1300 exemplares
Local e data de edição:
Lisboa, janeiro de 2013
ISBN:
978-989-8360-12-0
Depósito legal:
353759/13
iii
PREFÁCIO DA ERSAR
Um dos objetivos da Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e
Resíduos (ERSAR) no âmbito do modelo de regulação definido é o
apoio técnico às entidades gestoras dos serviços de abastecimento
de água, saneamento de águas residuais e gestão de resíduos
urbanos, visando a capacitação, a inovação e o desenvolvimento do
sector. Nesse quadro, a ERSAR tem seguido uma estratégia de
permanente apoio às entidades gestoras na procura de uma melhor
qualidade do serviço prestado aos utilizadores e da melhoria da
eficiência geral do sector. A edição de publicações inseridas na Série
editorial “Cursos técnicos” e sua divulgação pelas entidades gestoras
e todos os interessados é um dos instrumentos mais importantes para
atingir esses objetivos.
Ao longo da última década tem havido uma frutuosa colaboração
técnica e científica da ERSAR com a Universidade de Coimbra, em
termos de troca de experiências e aquisição de conhecimentos sobre
o sector de água e resíduos, tendo em 2010 sido editado
conjuntamente o Curso técnico n.º 1 intitulado “Hidrologia urbana –
Conceitos básicos”, elaborado por aquela Universidade. Com a atual
edição do Curso técnico n.º 2 sobre “Hidrologia Urbana – Sistemas de
drenagem de águas pluviais urbanas” vem dar-se seguimento a essa
iniciativa, visando reforçar competências na área da drenagem de
águas pluviais em cinco módulos, nomeadamente sistemas de
drenagem, simulação em sistemas de drenagem de águas pluviais,
cálculo hidráulico de coletores, coletores, galerias e órgãos
acessórios e verificação estrutural de tubagens enterradas.
A oportunidade desta publicação é reforçada pela necessidade de
continuação dos investimentos ao nível de sistemas de drenagem de
águas pluviais urbanas e da renovação das existentes em Portugal,
especialmente importante num país onde ocorrem com alguma
frequência fenómenos pluviométricos extremos, tendo como
resultado inundações urbanas com forte impacto negativo na vida das
populações. Os resultados dos estudos sobre as alterações
climáticas vêm reforçar esta preocupação, visto se prever no território
um aumento de ocorrências extremas.
A utilização deste Curso Técnico em contexto académico possi-
bilitará o apoio na formação de quadros técnicos qualificados para as
PREFÁCIO DA ERSAR
entidades gestoras dos serviços, sendo entendida como estrutural
para a criação das bases para um melhor conhecimento dos
conceitos teóricos subjacentes à adequada gestão dos serviços.
A ERSAR procura assim dar um novo contributo para a melhoria da
qualidade dos serviços de águas, como forma de promover a susten-
tabilidade das entidades gestoras e defender os interesses dos utiliza-
dores destes serviços públicos essenciais.
Jaime Melo Baptista (Presidente do Conselho Diretivo da ERSAR)
Carlos Lopes Pereira (Vogal do Conselho Diretivo da ERSAR)
iv PREFÁCIO DA ERSAR
v
PREFÁCIO DA COORDENAÇÃO CIENTÍFICA
O presente guia é o segundo de uma série dedicada à hidrologia
urbana cujo título Hidrologia urbana – Sistemas de drenagem de águas
pluviais urbanas (Cursos técnicos da Entidade Reguladora dos
Serviços de Águas e Resíduos – ERSAR) tem por objetivo abordar de
forma avançada, com cariz prático, conceitos relativos à drenagem
urbana que melhorem o desempenho de técnicos com competências
nesta área do conhecimento. É, assim, uma continuação do guia
Hidrologia urbana – Conceitos básicos da mesma série.
Como já referido no Volume I desta série, a drenagem de águas
pluviais em ambiente urbano teve uma prioridade fraca durante
décadas, o que de certo modo é compreensível dado o baixo grau de
atendimento público que se verificava em Portugal nas áreas do
abastecimento de água, drenagem de águas residuais domésticas e
resíduos sólidos urbanos. Presentemente essa situação mudou de
forma radical, apresentando o nosso País níveis de atendimento
bastante satisfatórios e com elevado grau de fiabilidade de serviço.
O texto, de caráter eminentemente didático, tenta sistematizar e
sintetizar, num único volume, conceitos considerados fundamentais
para o dimensionamento de sistemas de drenagem, que não são
normalmente encontrados com este grau de preocupação com a
ilustração prática. Os aspetos relacionados com o dimensionamento
e modelação de sistemas de drenagem de águas pluviais, órgãos de
entrada e saída e verificação estrutural de coletores enterrados são
apresentados ao longo de seis capítulos. A grande variedade de
exemplos e exercícios resolvidos, ilustrativos dos conceitos
apresentados, traduzem a experiência de anos na investigação dos
temas em análise. Considero um privilégio ter trabalhado com os
autores dos vários capítulos.
É minha convicção que o conteúdo deste guia oferece uma base
consistente para o conhecimento de sistemas de drenagem de águas
pluviais, tanto para técnicos como para outros interessados nestas
matérias.
Para terminar importa igualmente referir as várias sugestões
avançadas pelos técnicos da ERSAR e pelos revisores que em muito
contribuíram para o aperfeiçoamento dos textos.
João L. M. Pedroso de Lima (Universidade de Coimbra)
PREFÁCIO DA COORDENAÇÃO CIENTÍFICA
vii
ÍNDICE GERAL
pág.
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 SISTEMAS DE DRENAGEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 SIMULAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 CÁLCULO HIDRÁULICO DOS COLETORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 ÓRGÃOS DE ENTRADA E DE SAÍDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6 VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE TUBAGENS ENTERRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
BIBLIOGRAFIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
SOBRE OS AUTORES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
INDICE GERAL
ix
ÍNDICES DETALHADOS
ÍNDICE DE TEXTO
pág.
1 INTRODUÇÃO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Conteúdo do guia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 SISTEMAS DE DRENAGEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Nota introdutória. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Componentes dos sistemas de drenagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Tipos de sistemas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Efeitos da urbanização na drenagem pluvial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Escolha do período de retorno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 SIMULAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 Nota introdutória. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Simulação do escoamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1 Equações de Saint-Venant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2 Simplificações das equações de Saint-Venant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Modelação de sistemas em carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 Drenagem dual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5 Software para simulação de sistemas de drenagem de águas pluviais. . . . . . 36
3.6 Validação, calibragem, verificação e incerteza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.7 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.8 Exemplo de aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 CÁLCULO HIDRÁULICO DOS COLETORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1 Nota introdutória. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Imposições regulamentares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Leis de resistência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Verificação das imposições regulamentares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.5 Implantação dos coletores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.6 Profundidades e cotas de soleira nas câmaras de visita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.7 Cálculo das condições do escoamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.8 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.9 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
INDICES DETALHADOS
x HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
5 ÓRGÃOS DE ENTRADA E DE SAÍDA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1 Nota introdutória . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Dispositivos de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.1 Aspetos regulamentares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.1.1 Dimensões mínimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.1.2 Critérios de dimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.1.3 Tipos de sarjetas e circunstâncias de aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.2 Implantação de órgãos de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.3 Cálculo da capacidade de vazão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2.3.1 Métodos propostos no Manual de Saneamento Básico . . . . . . . . 74
5.2.3.2 Métodos propostos pela Federal Highway Administration . . . . 78
5.3 Dispositivos de saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2 Dimensionamento de um enrocamento de proteção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
5.5 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6 VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE TUBAGENS ENTERRADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.1 Nota introdutória . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2 Avaliação das ações exercidas sobre tubagens enterradas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2.1 Ação do solo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2.1.1 Tubagem assente em vala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2.1.2 Tubagem assente em condições de aterro
com projeção positiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2.1.3 Tubagem assente em condições de aterro
com projeção negativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2.2 Ação do tráfego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3 Condições de assentamento das tubagens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4 Verificação da segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.5 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.6 Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
BIBLIOGRAFIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
SOBRE OS AUTORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
pág.
Figura 2.1 – Inundação urbana na zona dos Fornos, Coimbra . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Figura 2.2 – Drenagem natural (a) e drenagem urbana (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Figura 2.3 – Exemplo de um sistema de drenagem de campo relvado (adaptado
de Plastfoor: http://www.plastfloor.com.br/) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Figura 2.4 – Construção do coletor pentagonal (sistema unitário), Rua da Sofia,
Coimbra – década de 70, gentileza da AC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Figura 2.5 – Execução do sistema de drenagem separativo da Rua Alexandre
Herculano, Coimbra (doméstico à esquerda e pluvial à direita),
gentileza da AC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Figura 2.6 – Representação esquemática de um sistema do tipo unitário . . . . . . . 12
Figura 2.7 – Representação esquemática de um sistema do tipo separativo . . . . 12
Figura 2.8 – Hidrogramas: natural, após a construção da urbanização e após
as medidas corretivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Figura 2.9 – Hidrogramas de escoamento direto (ver exercício 2.3) . . . . . . . . . . . 23
Figura 3.1 – Campo de aplicação das equações de Saint-Venant
e simplificações (adaptado de Maksimovic, 1996) . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 3.2 – Fenda de Preissmann. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 3.3 – Tratamento tradicional das câmaras de visita no caso de
o sistema de drenagem entrar em carga: a) a água que chega à
superfície perde-se; b) a altura de água aumenta indefinidamente;
c) a água é retida num volume definido pelo utilizador e volta ao
sistema quando este deixar de estar em carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura 3.4 – Abordagem tradicional das câmaras de visita. Aplicação em meio
urbano (adaptado de Maksimovic e Prodanovic, 2001) . . . . . . . . . . . 32
ÍNDICE DE FIGURAS
´
´´
xii HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
Figura 3.5 – Representação esquemática do conceito de drenagem dual
(adaptado de Djordjevic et al., 1999) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figura 3.6 – Exemplo de uma rede de drenagem dual 1D/1D (rede superficial
gerada automaticamente pelo AOFD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Figura 3.7 – Exemplo de uma rede de drenagem dual 1D/2D . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figura 3.8 – Principais fontes de incerteza associadas aos modelos
de drenagem urbana (adaptado de Deletic et al., 2012) . . . . . . . . . . . 38
Figura 3.9 – Área de estudo na cidade de Coimbra. A linha branca contínua
representa o limite da bacia e a linha branca a tracejado assinala
a Praça 8 de Maio (zona mais crítica) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Figura 3.10 – Resultados da simulação no coletor a montante da zona inundada . . 41
Figura 3.11 – a) Fotografia da inundação de 9 de junho de 2006 na
Praça 8 de Maio em Coimbra; b) Resultado da identificação
automática dos caminhos superficiais e zonas de acumulação
de água; c) resultado da modelação 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Figura 4.1 – Relações geométricas de secções circulares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura 4.2 – Situação 1 – não se atinge o recobrimento mínimo a jusante. . . . . . 52
Figura 4.3 – Situação 2 – atinge-se o recobrimento mínimo a jusante. . . . . . . . . . 53
Figura 4.4 – Situação 3 – necessita de queda a montante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Figura 4.5 – Implantação dos coletores.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Figura 5.1 – Constituição de sistema de drenagem e órgãos de entrada
e de saída. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Figura 5.2 – Caixa de ramal simples de ligação à rede pluvial. . . . . . . . . . . . . . . . 66
Figura 5.3 – Caixa de ramal com queda guiada de ligação à rede pluvial. . . . . . . 66
Figura 5.4 – Caixa de ramal de ligação à rede pluvial enterrada. . . . . . . . . . . . . . 67
Figura 5.5 – Exemplo de ligações à rede de coletores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
´
xiiiÍNDICE DE FIGURAS
Figura 5.6 – Exemplos de dispositivos de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Figura 5.7 – Sarjeta de passeio sifonada (com vedação hidráulica). . . . . . . . . . . . 70
Figura 5.8 – Sumidouro com câmara de retenção de sólidos.. . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 5.9 – Sumidouro com saída direta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 5.10 – Sumidouro de lancil com saída sifonada (com vedação
hidráulica) e retenção de sólidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 5.11 – Sarjeta de passeio com depressão (adaptado de DGRN, 1991).. . . 75
Figura 5.12 – Funcionamento hidráulico de um sumidouro (retirado de DGRN, 1991). . 76
Figura 5.13 – Sumidouro com depressão(retirado de DGRN, 1991). . . . . . . . . . . 78
Figura 5.14 – Metodologia proposta pela FHWA.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Figura 5.15 – Divisão do caudal intersetado em caudal frontal (Q
B
) e caudal
lateral (Q
L
) – secção transversal uniforme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Figura 5.16 – Divisão do caudal intersetado em caudal frontal (Q
B
) e
caudal lateral (Q
L
) – secção transversal composta. . . . . . . . . . . . . . 80
Figura 5.17 – Divisão do caudal intersetado em caudal frontal (Q
B
)
e caudal lateral (Q
L
) – secção transversal composta com
diferente largura da sarjeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Figura 5.18 – Ábaco proposto em FHWA (adaptado de Brown et al., 2001),
para determinação da velocidade limite do escoamento à
entrada de sumidouros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Figura 5.19 – Boca de saída direta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Figura 5.20 – Boca de saída com dissipação de energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Figura 6.1 – Cargas exercidas em tubagens enterradas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Figura 6.2 – Exemplo de demonstração da teoria de Marston-Spangler
(Moser e Folkman, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
xiv HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
Figura 6.3 – Gráfico para determinação do coeficiente de carga. . . . . . . . . . . . . . 107
Figura 6.4 – Valores de k propostos por Marston, Wetzorke e Christensen. . . . . . 108
Figura 6.5 – Carga exercida pelo solo sobre tubagens rígidas assentes em vala. 109
Figura 6.6 – Carga exercida pelo solo sobre tubagens flexíveis assentes em vala. 111
Figura 6.7 – Largura da vala a usar no cálculo da carga exercida pelo solo. . . . . 112
Figura 6.8 – Tubagem assente em condições de aterro com projeção positiva.. . 112
Figura 6.9 – Projeção positiva incompleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Figura 6.10 – Gráfico para determinação do coeficiente de carga em condições
de aterro com projeção positiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Figura 6.11 – Tubagem assente em condições de aterro com projeção negativa. 117
Figura 6.12 – Tubagem assente em condições de vala induzida. . . . . . . . . . . . . . 120
Figura 6.13 – Planta do veículo-tipo e cruzamento de veículos para efeitos
do cálculo de cargas sobre tubagens enterradas. . . . . . . . . . . . . . . 121
Figura 6.14 – Carga exercida por cada roda isolada e área de aplicação. . . . . . . 122
Figura 6.15 – Combinações para o cálculo de cargas sobre tubagens enterradas. . 123
Figura 6.16 – Degradação e sobreposição das cargas exercidas pelas rodas
dos veículos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Figura 6.17 – Comprimento efetivo do apoio para tubagens rígidas. . . . . . . . . . . 126
Figura 6.18 – Tipos de assentamento de tubagens em vala. . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Figura 6.19 – Tipos de assentamento de tubagens em aterro . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Figura 6.20 – Coletor instalado em vala com parametros verticais (Exercício 6.1).. . 132
Figura 6.21 – Coletor instalado em vala com parametros inclinados (Exercício 6.2). . 135
xvÍNDICE DE QUADROS
ÍNDICE DE QUADROS
pág.
Quadro 2.1 – Período de retorno em função da ocupação urbana com vista
ao projecto de drenagem de águas pluviais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Quadro 2.2 – Valores do período de retorno, T
R
, em função do risco aceitável
e da vida útil da obra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Quadro 4.1 – Valores de K
s
, para diferentes materiais, a utilizar na fórmula
de Gauckler-Manning-Strickler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Quadro 6.1 – Tipos de solo e valores normalmente assumidos para o peso
específico (�
s
) e ângulo de atrito interno (�). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Quadro 6.2 – Ângulo de atrito entre o solo de enchimento da vala e os
paramentos da mesma (�’). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Quadro 6.3 – Valores empíricos para a razão de assentamento em condições
de aterro com projeção positiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Quadro 6.4 – Valores empíricos para a razão de assentamento em condições
de aterro com projeção negativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Quadro 6.5 – Cargas críticas e áreas de distribuição. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Quadro 6.6 – Valores de X para tubagens circulares, em função da razão
de projeção e da classe de assentamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
xvii
ÍNDICE DE EXEMPLOS
pág.
Exemplo 2.1 – Cálculo do risco aceitável em função do período de retorno
e da vida útil da obra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
ÍNDICE DE EXEMPLOS
ÍNDICE DE EXERCÍCIOS
pág.
Exercício 2.1 – Noção de período de retorno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Exercício 2.2 – Cálculo do risco aceitável em função do período de retorno
e da vida útil da obra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Exercício 2.3 – Influência da ocupação do solo na resposta hidrológica. . . . . . . . 23
Exercício 4.1 – Dimensionamento de colector de águas pluviais a implantar
em terreno plano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Exercício 4.2 – Dimensionamento de colector de águas pluviais a implantar
em terreno inclinado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Exercício 4.3 – Importância do diâmetro do colector no dimensionamento
de sistemas de águas pluviais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Exercício 5.1 – Cálculo de dispositivos de entrada (sarjetas e sumidouros) . . . . . 90
Exercício 5.2 – Cálculo de um enrocamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Exercício 6.1 – Coletor assente em vala com paramentos verticais . . . . . . . . . . . 132
Exercício 6.2 – Coletor assente em vala com paramentos inclinados. . . . . . . . . . 135
xixÍNDICE DE EXERCÍCIOS
João L. M. Pedroso de Lima1, 2
1 Departamento de Engenharia Civil, FCTUC, Universidade de Coimbra.
2 Instituto do Mar – Centro do Mar e Ambiente.
A cheia ou inundação urbana ocorre quando as águas da chuva, do mar, dos
cursos de água ou dos sistemas de drenagem de águas pluviais inundam
áreas urbanas, designadamente arruamentos, passeios, zonas habitacionais e
zonas comerciais. Impõe-se, assim, a aquisição de um conhecimento pro-
fundo do comportamento das águas superficiais nas áreas urbanas e da
interação destas com os sistemas de drenagem.
Os sistemas pluviais urbanos podem funcionar como sistemas preventivos de
inundações, principalmente nas áreas mais baixas das zonas urbanas sujeitas
a alagamentos. Quando um sistema de drenagem de águas pluviais é bem
projetado e tem manutenção adequada, reduz-se significativamente o risco de
inundação, evitando-se, por exemplo, prejuízos e interferências com o tráfego
de pedestres e veículos.
A crescente ocupação do solo com áreas urbanas, vias de acesso e todo o
tipo de equipamentos, provoca alterações no escoamento superficial que
impõem a necessidade de a urbanização ser acompanhada pela implantação
de novos sistemas de drenagem de águas pluviais ou pela reabilitação do
sistema preexistente de modo a fazer face às exigências a que está sujeito.
Trata-se de uma temática de indiscutível importância, que se traduz na
imprescindívelexistência de planos gerais de drenagem de águas pluviais
eficazes para um melhor controlo das águas superficiais em meio urbano.
1.1 Conteúdo do guia
Os aspetos quantitativos da drenagem pluvial constituem uma componente
essencial do domínio da hidrologia urbana, apesar de cada vez mais
importância ser dada aos aspetos relacionados com a gestão da água e à
análise de qualidade relacionados com a rejeição de cargas poluentes
veiculadas pelas águas pluviais.
1INTRODUÇÃO
1 INTRODUÇÃO
Este livro introduz conceitos básicos fundamentais sobre sistemas urbanos
de drenagem pluvial. Nele são apresentados os princípios de conceção e
dimensionamento de sistemas de drenagem de águas pluviais, com
referência à simulação de sistemas e critérios e procedimentos de cálculo.
Discutem-se igualmente aspetos relacionados com os principais compo-
nentes desses sistemas.
O Capítulo 2 começa por descrever as componentes e os tipos de
sistemas, fazem-se algumas considerações sobre os efeitos da
urbanização na drenagem pluvial e tecem-se comentários sobre o período
de retorno a utilizar no dimensionamento de sistemas de drenagem pluvial.
No Capítulo 3 aborda-se, de forma sintética, a problemática dos modelos
de simulação no contexto da drenagem pluvial em sistemas urbanos.
A complexidade dos processos envolvidos obriga à necessidade de
recorrer a modelos de simulação hidrológica/hidráulica para representar o
comportamento de sistema do sistema de drenagem na resolução de um
vasto leque de problemas e questões em situações frequentes e extremas.
Esses modelos são utilizados como auxílio ao dimensionamento de novos
sistemas e à análise dos sistemas preexistentes de modo a garantir que o
sistema de drenagem satisfaça os requisitos para os quais está a ser
concebido. Podem também ser usados para efeitos de planeamento,
gestão e previsão em tempo real ou em programas de reabilitação de
sistemas existentes.
Num texto didático faz todo o sentido abordar o dimensionamento
tradicional de coletores em que se assumem condições de escoamento em
regime permanente e uniforme, com superfície livre. No Capítulo 4
apresenta-se uma metodologia para obtenção das secções que,
conjuntamente com as inclinações escolhidas, satisfaçam as condições
hidráulicas e/ou sanitárias regulamentares.
No Capítulo 5 são apresentados os órgãos de entrada e de saída dos
sistemas de drenagem pluvial, com exposição de aspetos regulamentares
e metodologias de dimensionamento. Dá-se maior peso aos órgãos
intercetores de águas superficiais mais correntes (sarjetas e sumidouros),
dada a sua importância muitas vezes esquecida pois, se a água não entra
para o sistema, nem os coletores nem os órgãos de saída podem funcionar,
condicionando todo o processo de drenagem urbana.
2 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
A verificação estrutural de tubagens enterradas é importante para assegurar
o bom funcionamento dos sistemas de drenagem de águas pluviais dado
que estes normalmente funcionam com superfície livre, sujeitos interna-
mente à pressão atmosférica, ao contrário do que acontece nas tubagens
em pressão dos sistemas de abastecimento de água.
O último capítulo deste livro é dedicado a este assunto, abordando-se, em
particular, a implantação de tubagens rígidas em vala e em aterro. A verifi-
cação estrutural de tubagens depende das caraterísticas da tubagem e das
respetivas condições de assentamento e consiste em determinar se, face
às ações a que vão estar sujeitas, essas tubagens irão apresentar um
comportamento aceitável após a sua instalação.
Em todos os capítulos apresentam-se exemplos de aplicação e/ou
exercícios, aplicados ao tema, tornando assim mais fácil ao leitor
compreender a necessidade e aplicabilidade dos conceitos apresentados.
3INTRODUÇÃO
João L. M. Pedroso de Lima 1, 3; José Alfeu Sá Marques 1, 3; Joaquim Sousa 2, 3
1 Departamento de Engenharia Civil, FCTUC Universidade de Coimbra.
2 Departamento de Engenharia Civil, ISEC, Politécnico de Coimbra.
3 Instituto do Mar – Centro do Mar e Ambiente.
2.1 Nota introdutória
A finalidade dos sistemas de drenagem é recolher, transportar e rejeitar
nos meios recetores, em condições apropriadas, as águas residuais
domésticas, comerciais e industriais e as águas pluviais. Este guia
restringe-se aos sistemas pluviais urbanos que são sistemas preventivos
de inundações, principalmente nas áreas mais baixas das comunidades ou
localidades sujeitas a alagamentos (Figura 2.1). O aprofundamento dos
assuntos focados neste capítulo pode ser feito em vários livros e artigos,
nomeadamente, Matos (2000), Butler e Davies (2011), Barnard (2007).
5SISTEMAS DE DRENAGEM
2 SISTEMAS DE DRENAGEM
Figura 2.1 – Inundação urbana na zona dos Fornos, Coimbra.
Assim, pode dizer-se que a Drenagem Pluvial Urbana não é só uma
necessidade, mas uma prioridade por estar diretamente ligada à
qualidade de vida e à segurança de pessoas e bens.
A necessidade de desviar a água precipitada dos locais de onde outrora
escoava naturalmente tornou imperativa a construção de sistemas de
drenagem. Assim, os sistemas poderão classificar-se em naturais e
artificiais/urbanos (Figura 2.2).
Dimensionar um sistema de drenagem de águas pluviais urbanas num
dado aglomerado urbano é mais do que conceber uma rede de coletores,
canais e equipamentos acessórios para drenar os caudais provocados
por precipitações intensas de curta duração.
De uma maneira geral, as águas decorrentes da chuva e captadas nas
vias públicas por meio sarjetas e sumidouros e por outras áreas urbanas
(e. g., parques, zonas recreativas) são lançadas em cursos de água
naturais, no oceano, em lagos ou, no caso de solos permeáveis, sobre o
terreno para se infiltrarem no subsolo.
A complexidade e a variabilidade de uma área urbana pressupõem
soluções condizentes. Atualmente, em ambiente urbano, os sistemas de
drenagem utilizam, além dos materiais e equipamentos das redes
clássicas, diferentes tipos de materiais (Figura 2.3), como filtrantes (e. g.,
6 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
a) b)
Figura 2.2 – Drenagem natural (a) e drenagem urbana (b).
areia, brita, geotêxteis) e condutores (e. g., tubos perfurados, tubagens),
cuja função é conduzir a água para o meio recetor, e ainda isolantes
pouco permeáveis.
As bacias hidrográficas devem ser consideradas unidades de análise para
o projeto de sistemas de drenagem pluvial urbana. A análise das
condições climáticas (e. g. temperatura, precipitação, humidade do ar) e
fisiográficas, ligada às características físicas da bacia hidrográfica (e. g.,
relevo, inclinações, tipos de solo) e da rede de drenagem, serão a base
para a definição dos projetos de drenagem pluvial urbana.
Os sistemas de drenagem apresentam duas interfaces principais: uma
com o “público” e outra com o “ambiente” onde o sistema de drenagem
está implantado. Estes sistemas, que em pequenas comunidades ou em
zonas de muito baixa densidade populacional podem ser simples e
constituídos por um conjunto de valetas, são, no caso de zonas com
grandes aglomerados populacionais e muito densamente ocupadas,
constituídos por sistemas complexos de canalizações e equipamentos
acessórios cujos custos de construção e operação podem ser elevados.
Acresce ainda o facto de, em zonas densamente povoadas ou de alto
valor patrimonial, as consequências das inundações ou cheias poderem
ser significativas em termos materiais e até de vidas humanas.
Os benefícios que advêm da implantação de uma obra bem executada de
drenagem pluvial urbana são difíceis de estimar. Podem enumerar-se nos
7SISTEMAS DE DRENAGEM
Figura 2.3 – Exemplo de um sistema de drenagem de campo relvado
(adaptado de Plastfoor: http://www.plastfloor.com.br/).
danos a evitar: as perdas de bens e serviços, a redução de doenças e
mortalidade decorrentes do contacto diretocom a inundação, as
melhorias na condição de vida das populações e os impactos visuais na
paisagem urbana. Em termos mais específicos, um adequado sistema de
drenagem proporciona uma série de benefícios, como: (i) redução de
áreas inundadas; (ii) proteção do tráfego rodoviário e pedestre;
(iii) redução de gastos com manutenção das vias públicas e áreas
adjacentes per-meáveis e impermeáveis; (iv) escoamento rápido das
águas superficiais; (v) eliminação da presença de águas estagnadas;
(vi) abaixamento do nível freático; (vii) redução da erosão hídrica do solo;
(viii) permite even-tualmente o reaproveitamento da água pluvial;
(ix) aumenta a resistência do solo em zonas verdes possibilitando o
trânsito dos veículos (e. g., equipamentos de manutenção).
Neste capítulo descrevem-se as componentes e os tipos de sistemas,
fazem-se algumas considerações sobre os efeitos da urbanização na
drenagem pluvial e tecem-se comentários sobre o período de retorno a
utilizar no dimensionamento de sistemas de drenagem pluvial. Quando
um sistema de drenagem de águas pluviais é bem projetado, e com
manutenção adequada, reduz significativamente as inundações na área
urbana, evitando prejuízos e interferências com o tráfego de pedestres e
veículos e, no limite, perdas de vida das populações.
2.2. Componentes dos sistemas de drenagem
Os sistemas de drenagem de água pluvial são constituídos, essen-
cialmente, por redes de coletores e órgãos acessórios, podendo dispor
de órgãos especiais e instalações complementares. Assim:
(i) A rede de coletores é o conjunto das canalizações que visa assegurar a
condução das águas pluviais desde os dispositivos de entrada
localizados, por exemplo, nos arruamentos, até um ponto de lançamento
ou destino final. Presentemente as redes são constituídas, na grande
generalidade dos casos, por coletores circulares de betão ou de PVC.
(ii) Os órgãos acessórios são, nomeadamente:
• Dispositivos de entrada – sarjetas de passeio ou sumidouros de grades.
• Câmaras de visita – destinam-se a facilitar o acesso aos coletores
para as operações de manutenção e de limpeza.
8 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
(iii) Os órgãos especiais e instalações complementares são, a título de
exemplo, os seguintes:
• Desarenadores – destinam-se a provocar a deposição de materiais
granulares transportados nas águas pluviais. Dependendo da geo-
logia dos terrenos e da pavimentação/ocupação urbana da bacia
hidrográfica em que o sistema de drenagem vai ser implementado,
pode justificar-se a instalação de desarenadores.
• Bacias de retenção – estruturas de regulação dos caudais pluviais. As
bacias de retenção urbanas têm-se demonstrado uma solução
eficaz, sendo utilizadas em muitas partes do mundo uma vez que
retêm grandes quantidades de água. Depois do evento pluvioso a
água retida vai sendo liberada, aos poucos e de forma controlada, a
fim de evitar inundações a jusante.
• Bacias de detenção – estruturas de regulação dos caudais pluviais.
As bacias de retenção, decorrido algum tempo sobre a ocorrência da
precipitação, encontram-se vazias, ao contrário das bacias de deten-
ção que ficam sempre com um determinado volume de águas cons-
tituindo por vezes um espelho de água permanente.
• Câmaras de infiltração ou drenantes – destinam-se à retenção e
infiltração da água pluvial. São geralmente constituídas por um fundo
permeável executado com um aglomerado grosso que permite a
infiltração das águas no terreno.
• Instalações elevatórias – permitem transportar a água para cotas
mais elevadas. Aglomerados populacionais, situados à beira de
cursos ou massas de água, podem exigir o bombeamento de caudais
pluviais afluentes a zonas baixas para zonas mais elevadas durante
o período em que os níveis da água a jusante não permitem o
escoamento gravítico.
• Descarregadores de tempestade – permitem a descarga dos caudais
em excesso face à capacidade hidráulica das infraestruturas
dispostas a jusante.
9SISTEMAS DE DRENAGEM
2.3 Tipos de sistemas
No processo de ocupação urbana foram surgindo diferentes tipos de
sistemas de drenagem que, de uma forma simplificada, se podem clas-
sificar em função da origem das águas que escoam em:
• Sistemas unitários
Os sistemas unitários são constituídos por uma única rede de coletores
onde são conjuntamente admitidas as águas residuais domésticas,
industriais e pluviais. Estes recolhem e drenam a totalidade das águas a
afastar dos aglomerados populacionais (Figuras 2.4 e 2.6).
• Sistemas separativos
As redes separativas são constituídas por duas redes de drenagem de
natureza diferente: uma destinada à drenagem de águas residuais
domésticas e industriais e outra destinada à drenagem de águas pluviais,
sem ligações entre as duas redes (Figuras 2.5 e 2.7).
10 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
Figura 2.4 – Construção do coletor pentagonal (sistema unitário),
Rua da Sofia, Coimbra - década de 70, gentileza da AC.
• Sistemas mistos
Uma rede que seja constituída pela conjunção dos dois tipos de sistemas
referidos, ou seja, em que uma parte da rede é unitária e outra parte é
separativa, é designada por rede mista.
• Sistemas pseudo-separativos
Os sistemas separativos parciais ou pseudo-separativos são aqueles em
que, por inexistência de coletores pluviais, a ligação de águas pluviais de
pátios interiores e terraços ao coletor de águas residuais domésticas é
admitida/tolerada.
11SISTEMAS DE DRENAGEM
Figura 2.5 – Execução do sistema de drenagem separativo da Rua Alexandre
Herculano, Coimbra (doméstico à esquerda e pluvial à direita), gentileza da AC.
12 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
Figura 2.6 – Representação esquemática de um sistema do tipo unitário.
Figura 2.7 – Representação esquemática de um sistema do tipo separativo.
A opção por um sistema ou por outro (e. g., unitário/separativo) tem sido
objeto de discussão, tendo-se optado inicialmente pelo unitário e só mais
recentemente pelos sistemas separativos.
Contudo, o assunto continua a gerar controvérsia, nomeadamente porque
foi reaberto com as novas técnicas de reabilitação de canalizações. No
entanto, o princípio de “tirar o máximo partido do que já existe” parece
ser razoavelmente consensual tendo em conta o custo inerente à
construção, de raiz, de um novo sistema. A escolha do tipo de sistema é
condicionada por diversos fatores técnicos, económicos (Ribeiro de
Sousa, 2001) e também ambientais.
Acresce ainda que, de acordo com a legislação portuguesa (Decreto
Regulamentar n.º 23, de 23 de agosto de 1995, Regulamento Geral dos
Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de
Águas Residuais – RGSPPDADAR), as redes de drenagem de águas
residuais a implantar em novos sistemas deverão ser do tipo separativo.
2.4 Efeitos da urbanização na drenagem pluvial
A população urbana tem vindo a aumentar, sendo de esperar que em
2030 cerca de 60% da população mundial viva nas cidades. Como
consequência deste movimento migratório, esperam-se impactos
significativos nos sistemas de saneamento básico e, em particular, nos
sistemas de drenagem de águas pluviais urbanas.
A ocupação urbana do solo, associada ao inadequado ordenamento do
território e planeamento de sistemas de drenagem, conduz, em geral e à
luz dos critérios de projeto tradicionais, a um aumento de caudal devido
à maior impermeabilização, produzindo, como consequência, um au-
mento na frequência e na magnitude das inundações e das cheias. Este
facto tem-se efetivamente verificado na maioria das cidades. Para o caso
particular de Coimbra, com o aumento da urbanização entre 1970 e 2012
observa-se um significativo aumento de caudal de ponta de cheia nas
linhas de água para idênticas precipitações.
O aumento dos caudais leva igualmente ao aumento da produção de
sedimentos elixo devido à ausência de proteção das superfícies naturais
e artificiais, o que provoca a deterioração da qualidade da água dos rios
e das linhas de água.
Consequentemente, deve ser implementada uma mudança das práticas
de projeto e gestão de infraestruturas de drenagem urbana no sentido de
13SISTEMAS DE DRENAGEM
desenvolver soluções adequadas e viáveis tendo em conta a realidade
socioeconómica das cidades. Ao mesmo tempo, de acordo com a
evolução do conhecimento, devem ser atualizadas as ferramentas de
modelação e promovida a consciencialização das consequências que
procedimentos incorretos terão, quer em termos de segurança de pessoas
e bens, quer em termos de sustentabilidade técnica e económica.
As entidades responsáveis pelo planeamento e desenvolvimento das
cidades devem ter consciência que preservar o ambiente dentro da
cidade é possível e que as soluções baseadas exclusivamente na rápida
condução das águas pluviais para linhas de água naturais são de evitar
sempre que existam outras soluções técnicas e economicamente viáveis.
São, pois, necessárias ferramentas de apoio que permitam uma avaliação
adequada dos diferentes impactos envolvidos no sentido de restabelecer
o mais possível a retenção natural a fim de preservar as áreas de inun-
dação ainda existentes.
A título de exemplo, apresenta-se na Figura 2.8 um esboço de
hidrogramas correspondentes a uma bacia hidrográfica: o hidrograma
antes da implantação de uma urbanização, após a urbanização e após a
implementação de medidas corretivas conducentes à redução das cheias.
A impermeabilização do terreno impede que a água pluvial se infiltre no
solo, verificando-se um aumento no volume escoado e no caudal de ponta
de cheia, devido a uma maior velocidade de escoamento superficial, o que
se traduz numa resposta mais rápida das bacias urbanas
14 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
Figura 2.8 – Hidrogramas: natural, após a construção da urbanização e após
as medidas corretivas.
A expansão urbana, particularmente acelerada com a urbanização de
áreas inicialmente florestais e agrícolas, tem criado uma alteração no ciclo
natural da água. É, assim, comum observar-se um comportamento
hidráulico deficiente de redes de drenagem pluvial devido ao sub-
dimensionamento para a situação atual e aos entupimentos e obstruções
de coletores, com consequente entrada em carga de coletores e
inundações dos pontos baixos das bacias hidrográficas, muitas vezes
onde estão localizadas as zonas urbanas. Paradoxalmente, o não
aproveitamento integral da capacidade de transporte dos sistemas de
drenagem enterrados, devido a este subdimensionamento de órgãos de
entrada (e. g., sarjetas de passeio e sumidouros) ou à sua deficiente
manutenção, também é com frequência causa de inundações urbanas.
A constatação desta realidade foi alterando a abordagem ao problema da
drenagem pluvial urbana, o que se manifesta numa evolução significativa
da conceção de sistemas e no respetivo cálculo hidráulico e hidrológico.
Em Portugal, a preocupação com as cheias e inundações é legislada
desde o Decreto-Lei n.º 468/71, de 5 de novembro. Alterado pelo Decre-
to-Lei n.º 53/74, de 15 de fevereiro, e n.º 89/87, de 26 de fevereiro, e pela
Lei n.º 16/2003, de 4 de junho, este Decreto-Lei unificou o regime dos
terrenos incluídos no domínio público hídrico e criou a figura de zonas
adjacentes, determinando a sujeição a restrições de utilidade pública dos
terrenos considerados ameaçados pelo mar ou pelas cheias.
O Decreto-Lei n.º 321/83, de 5 de julho, vem criar a Reserva Ecológica
Nacional (REN), cujo regime foi aprofundado pelo Decreto-Lei n.º 93/90, de
19 de março, e posteriormente revisto pelo Decreto-Lei n.º 166/2008, de 22
de agosto. Com uma perspetiva preventiva, a REN veio a considerar as zonas
ameaçadas pelas cheias áreas de risco, integrando as áreas ainda livres de
ocupação, que passam a constituir uma restrição de utilidade pública.
Aos municípios são atribuídas responsabilidades com o Decreto-Lei
n.º 364/98, de 21 de novembro. Sem prejuízo do processo de classi-
ficação das zonas adjacentes, previsto no Decreto-Lei n.º 468/71, de 5 de
novembro, este Decreto-Lei vem obrigar os municípios, com aglomerados
urbanos atingidos por cheias num período de tempo que, pelo menos,
incluísse o ano de 1967 e que ainda não se encontrassem abrangidos por
zonas adjacentes, a elaborarem cartas de zonas inundáveis abrangendo
os perímetros urbanos com vista à adoção de restrições à edificação face
ao risco de cheia.
Em 2005 surgem a Lei da Titularidade dos Recursos Hídricos e a Lei da
Água. A Lei da Titularidade dos Recursos Hídricos – Lei n.º 54/2005, de
15SISTEMAS DE DRENAGEM
15 de novembro – revogou parcialmente o Decreto-Lei n.º 468/71, de 5 de
novembro, mantendo o regime jurídico aplicável às zonas adjacentes e
admitindo que o governo pode classificar como zona adjacente as zonas
ameaçadas pelo mar e as zonas ameaçadas pelas cheias, sujeitando-as
a restrições de utilidade pública.
A Lei n.º 58/2005, de 29 de dezembro, vem integrar as medidas de
proteção contra cheias e inundações nos instrumentos de planeamento
dos recursos hídricos e de gestão territorial, obrigando à demarcação das
zonas inundáveis ou ameaçadas pelas cheias. Vulgarmente designada
por Lei da Água, esta lei transpõe para a ordem jurídica nacional a Diretiva
n.º 2000/60/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 23 de outubro
de 2000, e estabelece, nas disposições gerais, as bases e o quadro
institucional para a gestão sustentável das águas. No Capítulo I, o artigo
4.º define “Largura da margem: (…) margem das restantes águas
navegáveis ou flutuáveis com a largura de 30 m; margem das águas não
navegáveis nem flutuáveis, nomeadamente torrentes, barrancos e
córregos de caudal descontínuo, com a largura de 10 m (…)” e define
ainda como “Zona ameaçada pelas cheias: a área contígua à margem de
um curso de água que se estende até à linha alcançada pela cheia, com
período de retorno de 100 anos, ou pela maior cheia conhecida no caso
de não existirem dados que permitam identificar a anterior”.
O Capítulo III do Ordenamento e Planeamento dos Recursos Hídricos, na
secção IV, sobre a Proteção e Valorização, define, no artigo 33.º,
parágrafo 5, a responsabilidade de execução de medidas de conservação
e proteção: “As medidas de conservação e reabilitação da rede hidro-
gráfica devem ser executadas sob orientação da correspondente ARH,
sendo da responsabilidade:
a) Dos municípios, nos aglomerados urbanos;
b) Dos proprietários, nas frentes particulares fora dos aglomerados
urbanos;
c) Dos organismos dotados de competência, própria ou delegada,
para a gestão dos recursos hídricos na área, nos demais casos.”
Define ainda as medidas de proteção contra cheias e inundações, artigo
40.º: “Medidas de proteção contra cheias e inundações:
1 – Constituem zonas inundáveis ou ameaçadas pelas cheias as
áreas contíguas à margem dos cursos de água ou do mar que
se estendam até à linha alcançada pela maior cheia com
16 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
probabilidade de ocorrência num período de retorno de um
século.
2 – As zonas inundáveis ou ameaçadas pelas cheias devem ser
objecto de classificação específica e de medidas especiais de
prevenção e proteção, delimitando-se graficamente as áreas em
que é proibida a edificação e aquelas em que a edificação é
condicionada, para segurança de pessoas e bens.
3 – Uma vez classificadas, as zonas inundáveis ou ameaçadas
pelas cheias ficam sujeitas às interdições e restrições previstas na
lei para as zonas adjacentes.
4 – Os instrumentos de planeamento de recursos hídricos e de
gestão territorial devem demarcar as zonas inundáveis ou
ameaçadas por cheias e identificar as normas que procederam à
sua criação.
5 – Na ausência da delimitação e classificação das zonas
inundáveisou ameaçadas por cheias, devem os instrumentos de
planeamento territorial estabelecer as restrições necessárias para
reduzir o risco e os efeitos das cheias, devendo estabelecer
designadamente que as cotas dos pisos inferiores das edificações
sejam superiores à cota local da máxima cheia conhecida.
6 – É competência da autoridade nacional da água a aplicação de
medidas para redução dos caudais de cheia, de acordo com
critérios e procedimentos normativos estabelecidos.
7 – Até à aprovação da delimitação das zonas inundáveis ou
ameaçadas pelas cheias, estão sujeitos a parecer vinculativo da
administração da região hidrográfica territorialmente competente o
licenciamento de operações de urbanização ou edificação, quando
se localizem dentro do limite da cheia, com período de retorno de
100 anos, ou de uma faixa de 100 m para cada lado da linha de
água, quando se desconheça aquele limite.
8 – É competência da autoridade nacional da água, em articulação
com o Serviço Nacional de Bombeiros e Proteção Civil e a ARH
competente, a criação de sistemas de alerta para salvaguarda de
pessoas e bens.”
Em 2010 surge o Decreto-Lei n.º 115/2010, de 22 de outubro, que aprova
o quadro para a avaliação e gestão dos riscos de inundações com o
17SISTEMAS DE DRENAGEM
objetivo de reduzir as suas consequências prejudiciais, transpondo para
a ordem jurídica interna a Diretiva n.º 2007/60/CE, do Parlamento Europeu
e do Conselho, de 23 de outubro, e indo igualmente ao encontro da
preocupação relativa à mitigação dos efeitos das inundações,
estabelecida na Directiva nº 2000/60/CE, do Parlamento Europeu e do
Conselho, de 23 de outubro.
Em áreas urbanas é comum a inundação localizada devido ao
estrangulamento do curso de água por pilares de pontes, redução de
passagens de água, de aterros e vias de comunicação, que podem ter
limitado a secção de escoamento. O aumento da densidade de
ocupação por edificações e obras de infraestrutura viária resulta em
maiores áreas impermeáveis e, como consequência, no incremento das
velocidades de escoamento superficial e na redução de recarga dos
lençóis freáticos.
Outras vezes, a principal causa das cheias deve-se à ocupação da área
de inundação das linhas de água. Contudo, a ocupação do solo a
montante da zona urbana, em toda a área da bacia hidrográfica, pode ser
determinante. De facto, o sistema de drenagem urbana que transfere os
escoamentos para secções mais afastadas, sem qualquer preocupação
com a retenção de volumes escoados e dos caudais majorados por essas
zonas, pode causar problemas a outras áreas urbanas localizadas a
jusante.
Com efeito, um sistema de drenagem deve drenar as águas sem produzir
impactos negativos no local de implementação do sistema nem nas
zonas urbanas a jusante. Não deve igualmente eliminar ecossistemas
aquáticos existentes nem promover processos erosivos nas margens das
linhas de água.
Atualmente, o sistema de drenagem pluvial deve apontar para a preser-
vação das linhas de água, ter preocupações com a qualidade da água e
procurar tirar partido de áreas verdes, parques e zonas de lazer.
2.5 Escolha do período de retorno
No cálculo de caudais de ponta de cheia, para os quais devem ser
dimensionadas as infraestruturas de drenagem de águas pluviais (e. g.,
coletores, emissários, sarjetas, descarregadores), é fundamental a
escolha do período de retorno, TR, variável associada à probabilidade de
ocorrência daqueles caudais e, consequentemente, à sua magnitude e
correspondentes consequências. Assim, considera-se que o período de
18 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
retorno é o intervalo de tempo que decorre, em média, para que um
determinado evento seja igualado ou excedido.
A escolha do período de retorno requer um exame aprofundado das
consequências para pessoas e bens, resultantes do caudal de ponta de
cheia, podendo-se fazer estudos económicos com vista à sua estimativa.
Um sistema de drenagem é geralmente dimensionado para um período
de retorno que varia entre 2 e 10 anos.
O RGSPPDADAR (MOPTC, 1995), no artigo 130.º – Período de retorno,
refere: “1 – Os períodos de retorno mais frequentemente utilizáveis são de
5 ou 10 anos, que podem ser reduzidos para 2 ou mesmo 1 ano em
situações criteriosamente estudadas de bacias muito planas, com uma
percentagem elevada de espaços livres permeáveis, ou aumentados para
20 ou 25 anos em grandes bacias densamente edificadas e declivosas.
2 – Em situações de descontinuidade topográfica de difícil ou impossível
escoamento superficial podem ser mais elevados os períodos de
retorno.”
Na bibliografia são apresentados valores a utilizar em projetos (ver
Quadro 2.1) normalmente inferiores a 10 anos. Para projetos em áreas
urbanas de grande importância económica já foram utilizados períodos
de retorno de 50 ou até 100 anos.
O risco, R (e. g., Lencastre e Franco, 1984) de o caudal associado a um
certo período de retorno ser excedido num dado período de tempo de
vida útil da obra n é:
R = 1 – (1 – ––) (2.1)
19SISTEMAS DE DRENAGEM
Quadro 2.1 – Período de retorno em função da ocupação urbana com vista ao
projeto de drenagem de águas pluviais.
Tipo de Ocupação Período de Retorno
Residencial 2 anos
Áreas comerciais 5 anos
Áreas industriais 10 anos
Áreas comerciais muito valorizadas 5 a 10 anos
1
TR
n
onde:
R – risco permissível.
TR – período de retorno (anos).
n – vida útil da obra (anos).
Assim, podemos escolher TR fixando, a priori, o risco que se aceita correr
no caso de a obra não desempenhar as funções para que foi dimen-
sionada, dentro do seu tempo de vida, ou seja:
1
TR = –––––––––– (2.2)
1 – (1–R)
Admitindo-se que uma obra tem uma vida útil de n anos, uma vez fixado
o “risco permissível ou aceitável”, R, a equação 2.2 permite calcular o
período de retorno, TR. No Quadro 2.1 apresentam-se valores de R para
vários períodos de retorno de acordo com as equações 2.1 ou 2.2.
Exemplo 2.1: Cálculo do risco aceitável em função do período de retorno
e da vida útil da obra.
Utilizando o Quadro 2.1, determine e a probabilidade de ocorrência
(em %) de uma cheia urbana, com um período de retorno de 35 anos, nos
próximos 10 anos.
Resolução
No Quadro 2.2, considerando n = 10 anos, TR = 35 anos obtemos
R = 0.25, ou seja, o risco é de 25%.
20 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
1
––
n
Quadro 2.2 – Valores do período de retorno, TR,
em função do risco aceitável e da vida útil da obra.
Risco aceitável Vida útil da obra (n)
R 10 20 30 40 50 100 200
0.01 995 1990 2985 3980 4975 9950 19900
0.10 95 190 285 380 475 950 1899
0.25 35 70 105 140 174 348 696
0.50 15 29 44 58 73 145 289
0.75 8 15 22 29 37 73 145
0.99 3 5 7 9 11 22 44
2.6 Considerações finais
O elevado custo dos investimentos afetos aos sistemas de drenagem de
águas pluviais urbanas relativamente ao das outras infraestruturas
urbanas torna particularmente relevante a necessidade de se implemen-
tarem soluções, por um lado, tecnicamente apropriadas e, por outro,
economicamente exequíveis. Assim, deve procurar-se: (i) reduzir a
extensão do sistema otimizando-se o percurso superficial das águas
pluviais; (ii) reduzir a dimensão dos órgãos e coletores, entre outros;
(iii) favorecer a integração de zonas verdes ou de áreas/pavimentos semi-
permeáveis; (iv) optar por soluções de drenagem não convencionais
(e. g., a utilização de sistemas de controlo na origem, como bacias de re-
tenção e câmaras de visita drenantes).
Com vista à redução dos caudais e ao controlo da qualidade das águas
pluviais deve privilegiar-se a integração de áreas permeáveis nas áreas
impermeáveis através de soluções de descontinuidade. O objetivo é: (i)
aumentar o volume de água pluvial infiltrada; (ii) aumentar o volume de
água pluvial intercetada nas árvores e arbustos; (iii) aumentar o volume de
águapluvial retida nas depressões do solo; (iv) promover o armaze-
namento temporário da água pluvial em locais pré-selecionados.
No dimensionamento dos sistemas de drenagem devem criar-se
condições para o escoamento controlado ao longo das superfícies
impermeabilizadas (passeios, arruamentos e parques de estacionamento,
entre outros), por forma a que as caraterísticas do escoamento, em
condições extremas, tenham em conta critérios que minimizem os incó-
modos para os utentes e o desgaste das superfícies impermeabilizadas.
A utilização de sistemas automáticos (e. g., válvulas e comportas), con-
trolados em “tempo real” (em terminologia anglo-saxónica real time
control), pode potenciar as reservas de águas disponíveis nas bacias de
retenção, nos coletores e nas câmaras de visita.
Por último, é de salientar que os sistemas de drenagem pluvial devem ser
articulados com as outras atividades urbanas (abastecimento de água,
sistemas de drenagem de águas residuais domésticas e industriais, rede
rodoviária e transportes públicos e instalações elétricas, entre outros) de
forma a evitarem danos provocados pelas cheias e inundações nesses
outros sistemas.
21SISTEMAS DE DRENAGEM
2.7 Exercícios
Exercício 2.1: Noção de período de retorno.
Indique, de entre as duas afirmações, qual é a verdadeira:
a) A probabilidade de ocorrência de uma seca centenária é muito
inferior à de uma cheia centenária porque os caudais são muito
mais reduzidos na rede de drenagem.
b) O período de retorno correspondente à precipitação média anual
ponderada de uma qualquer bacia hidrográfica urbana é igual a 2
anos.
Resolução
a) Se um evento hidrológico como, por exemplo, uma cheia ou uma
seca, é igualado ou excedido em média a cada 100 anos, então
terá um período de retorno TR = 100 anos, i. e., chama-se cheia ou
seca centenária. Isto não quer dizer que este evento ocorrerá
regularmente a cada 100 anos. Dado um determinado período de
100 anos qualquer, o evento de 100 anos poderá ocorrer várias
vezes ou até não ocorrer. Em outras palavras, diz-se que esse
evento tem 1% de probabilidade de ser igualado ou excedido em
qualquer ano. Por esse motivo, a afirmação é falsa, dado que a
probabilidade não está relacionada com a grandeza dos caudais
observados em períodos de cheia ou de seca mas com a proba-
bilidade de ocorrência.
b) Sabendo que a precipitação anual segue aproximadamente a Lei
Normal (Teorema do Limite Central – ver, e. g., Martins e Temido,
2010), então a média terá uma probabilidade de ocorrência de
50%. Logo, a afirmação b) é a verdadeira.
Exercício 2.2: Cálculo do risco aceitável em função do período de retorno
e da vida útil da obra.
Numa área urbana vai construir-se um pequeno açude temporário (a ser
removido passados 3 anos). Foi utilizado um período de retorno, para o
cálculo da precipitação de projeto, de 5 anos. Qual a probabilidade de
ocorrência de uma precipitação que danifique a obra?
22 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
Resolução
Utilizando a equação 2.1., fazendo n = 3 anos e TR = 5 anos obtemos:
R = 1 – (1 – ––)= 0.488 (2.3)
Assim, assumindo que a probabilidade da cheia é a mesma da precipi-
tação intensa que lhe deu origem, há um risco de cerca de 50% de a
obra sair danificada nos 3 anos em que o açude temporário estará em
funcionamento.
Exercício 2.3: Influência da ocupação do solo na resposta hidrológica.
Na Figura 2.9 estão representados dois hidrogramas de escoamento
direto, resultantes de chuvadas idênticas em duas bacias distintas (A e B)
com a mesma área, forma, relevo e geologia. Indique a alínea que
considera verdadeira:
a) A bacia A é uma bacia urbana e a bacia B é uma bacia florestal.
b) A chuvada teve 12 horas de duração.
c) A bacia B é uma bacia urbana e a bacia A é uma bacia rural.
d) A área das bacias é de cerca de 6340 km2.
23SISTEMAS DE DRENAGEM
1
3
5
Figura 2.9 – Hidrogramas de escoamento direto (ver exercício 2.3).
Resolução
A expansão urbana cria profundas alterações no ciclo hidrológico natural,
podendo motivar a ocorrência de situações ameaçadoras para o meio
urbano. Estas alterações verificam-se tanto ao nível quantitativo como ao
nível qualitativo, sendo resultado do aumento da impermeabilização do
solo e da artificialização, canalização e concentração dos percursos da
água até ao meio recetor. A impermeabilização do solo origina uma
diminuição da capacidade de infiltração, provocando o aumento do
volume da água escoada e da velocidade do escoamento superficial,
conduzindo, por isso, a situações de inundação devido a uma resposta
mais rápida à precipitação. Assim, a alínea verdadeira é a c).
24 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
José Alfeu Sá Marques1, 2; Nuno Eduardo Simões 1, 2; Rui Daniel Pina 3
1 Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra.
2 Instituto do Mar – Centro do Mar e Ambiente.
3 AC, Águas de Coimbra, EMM.
3.1 Nota introdutória
Os modelos são usados para representar o comportamento da realidade e,
no caso da drenagem urbana, o comportamento de sistema de drenagem
de águas pluviais. O uso de modelos de simulação permite analisar a
resposta de um determinado sistema de drenagem quando sujeito a
diferentes condições. Permite ainda, ao modelador, analisar diferentes
cenários, bem como o comportamento do sistema em situações correntes
e extremas. As principais utilizações das ferramentas de simulação são o
dimensionamento de novos sistemas e a análise dos sistemas já existentes.
Em projeto, o objetivo é encontrar um sistema de drenagem que satisfaça
os requisitos para os quais está a ser dimensionado. Na análise de sistemas
já existentes o modelador pretende averiguar como o sistema responde a
determinada situação, se necessita de melhoramentos e qual a melhor
forma de os conseguir.
Os modelos para simulação da drenagem urbana têm, em geral, duas
componentes interligadas: um módulo para transformação da precipitação
em escoamento superficial e um módulo para simulação do escoamento.
O primeiro módulo quantifica o escoamento superficial através de
algoritmos de transformação da precipitação em escoamento, função das
caraterísticas da bacia drenante. O segundo módulo representa o movi-
mento da água na rede de coletores ou canais e tem como dados de
entrada os resultados do primeiro módulo.
Os modelos de sistemas de drenagem são usados para efeitos de planea-
mento, conceção de novos sistemas, preparação e conceção de progra-
mas de reabilitação, entre outros. Por isso é normal que os modelos tenham
caraterísticas diferentes de acordo com o fim a que se destinam. Segundo
o Wastewater Planning Users Group (WaPUG, 2002) os modelos podem
25SIMULAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS
3 SIMULAÇÃO EM SISTEMAS DE
DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS
ser divididos em três tipos: modelo simplificado para planeamento global,
modelo para planeamento de uma área de drenagem e modelos pormenori-
zados para análise de algumas áreas específicas.
O presente capítulo apresenta os modelos de simulação de drenagem
urbana. São expostas as equações de Saint-Venant, suas simplificações e
campos de aplicação, o conceito de drenagem dual e, no final, apresenta-
-se uma aplicação.
3.2 Simulação do escoamento
Num sistema de drenagem o caudal varia ao longo do tempo e, numa
situação de chuvadas intensas, essa variação pode ser grande e rápida,
podendo originar fenómenos como inundações e cheias, inversões de
sentido do escoamento, efeitos de jusante, mudança de regime e escoa-
mento sob pressão. Estes fenómenos só são convenientemente represen-
tados através de modelos hidrodinâmicos.
3.2.1 Equações de Saint-Venant
A lei de resistência de Manning-Strickler permite calcular as condições
de escoamento em superfície livre em regime permanente e uniforme,
correspondendo à abordagem mais tradicional.No entanto, quando
existem variações bruscas de caudal os modelos hidrodinâmicos
permitem uma representação mais completa da realidade. Estes modelos
baseiam-se nas leis físicas da conservação da massa e da quantidade de
movimento.
As equações matemáticas unidimensionais e bidimensionais mais
utilizadas para descrever o comportamento de um escoamento variável em
superfície livre são as equações de Saint-Venant. Estas equações resultam
da integração vertical das equações de Navier-Stokes, considerando que a
componente da velocidade e aceleração no eixo vertical são desprezáveis,
a pressão é hidrostática, o fundo é fixo com uma inclinação pequena, numa
secção a velocidade horizontal é constante ao longo da vertical e os efeitos
da turbulência e das tensões tangenciais podem ser considerados de uma
forma agregada. Estas equações permitem conhecer a altura de escoa-
mento e uma velocidade média do escoamento ao longo de uma secção
transversal.
26 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
O facto de o escoamento em coletores ter uma direção muito bem definida
e uma secção constante, dentro de cada coletor, permite o uso de modelos
unidimensionais. Contudo, em condições de escoamento que não sejam
em coletores, poderá ser conveniente utilizar modelos bidimensionais.
A forma conservativa das equações 1D de Saint-Venant (Mendes, 2001;
Simões, 2006) traduz-se em:
(3.1)
(3.2)
em que:
A – área molhada.
Q – caudal.
t – tempo.
X – direção do escoamento.
h – altura de água.
g – aceleração da gravidade.
So – declive do canal.
Sf – função do atrito.
A equação 3.1 representa a conservação da massa e a equação 3.2 a
conservação da quantidade de movimento. Esta última equação também é
conhecida por equação da dinâmica.
A forma conservativa das equações 2D de Saint-Venant é a seguinte:
27SIMULAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS
(3.3)
(3.4)
(3.5)
em que:
u – velocidade na direção x.
v – velocidade na direção y.
x – direção principal do escoamento.
y – direção do escoamento perpendicular a x.
Sox – declive do canal na direção x.
Soy – declive do canal na direção y.
Sfx – função do atrito na direção x.
Sfy – função do atrito na direção y.
3.2.2 Simplificações das equações de Saint-Venant
De acordo com a aplicação e o rigor pretendidos, por vezes também
podem ser utilizadas versões simplificadas destas equações.
Regime permanente
Se não forem consideradas as variações ao longo do tempo, o escoamento
dá-se em regime permanente. Neste caso as equações 3.1 e 3.2 podem ser
reescritas da seguinte forma:
28 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
h hu hv
0
t x y
w w w� � 
w w w
� �2 2 ox fx
uh 1
hu gh huv gh(S S )
t x 2 y
w w w§ ·� � � �¨ ¸w w w© ¹
� � 2 2 oy fy
vh 1
huv hv gh gh(S S )
t x y 2
w w w § ·� � � �¨ ¸w w w © ¹
(3.6)
(3.7)
Modelo de onda difusiva
No modelo de onda difusiva a equação dinâmica é simplificada, despre-
zando-se os termos da aceleração local e convectiva:
(3.8)
(3.9)
Modelo de onda cinemática
No modelo de onda cinemática a equação dinâmica é simplificada,
desprezando-se os termos da aceleração e inércia, sendo apenas
considerados os termos relativos ao declive e ao atrito:
(3.10)
(3.11)
Este modelo não representa curvas de regolfo nem os efeitos de restrições
a jusante.
A Figura 3.1 apresenta os resultados de um estudo sobre a aplicabilidade
das equações de Saint-Venant e suas simplificações em drenagem urbana
(Maksimovic, 1996). Os resultados são apresentados com base no número
geométrico (G ) e de Froude (F ), que constituem parâmetros adimensionais
(Leitão, 2009):
29SIMULAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS
Q
0
x
w 
w
2
o f
1 Q h
g g(S S )
A x A x
§ ·w w� �¨ ¸w w© ¹
 
A Q
0
t x
w w� 
w w
o f
h
(S S )
x
w �
w
A Q
0
t x
w w� 
w w
o fS S 0� 
´
(3.12)
(3.13)
em que:
q – caudal afluente de percurso.
ie – intensidade de precipitação útil.
h – altura de água.
g – aceleração da gravidade.
So – declive do canal.
30 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
Figura 3.1 – Campo de aplicação das equações de Saint-Venant e simplificações
(adaptado de Maksimovic, 1996).
*
o
e
h
G
q
S
i
 
* qF
h gh
 
´
G
F
3.3 Modelação de sistemas em carga
Em situações de precipitação elevada o sistema de drenagem pode entrar
em carga quando o nível de água atinge o topo do coletor, passando o
escoamento a ocorrer em pressão. É, então, possível coexistirem dois
tipos de escoamento num único coletor: superfície livre em algumas
partes e escoamento em pressão noutras. É importante que esta
condição seja modelada adequadamente, uma vez que a entrada do
sistema em carga é um aviso de que o limite para o qual o coletor foi
dimensionado foi atingido ou mesmo ultrapassado.
Os métodos que têm sido descritos são aplicados a escoamentos em
superfície livre. Para que as equações de Saint-Venant possam ser aplica-
das em escoamentos em pressão é necessário adotar o conceito de
fenda de Preissmann (Butler e Davies, 2011). Este conceito consiste em
introduzir uma fenda imaginária na parte superior do coletor para permitir
que a altura de escoamento exceda o seu diâmetro e, deste modo,
simular o efeito do escoamento em pressão (Figura 3.2), sendo que a
maioria dos modelos comerciais disponíveis utiliza esta técnica.
Quando é ultrapassada a capacidade hidráulica da rede o escoamento
pode atingir a superfície. A solução mais simples é admitir a perda do
volume de água que atinge a superfície (Figura 3.3.a) ou o aumento
ilimitado da altura de água (Figura 3.3.b). Outra técnica usada na maioria
dos modelos hidrodinâmicos é o modelo do reservatório virtual (Figura
3.3.c). Esta metodologia consiste em armazenar num reservatório artificial
sobre a cota do terreno o volume de água que sobe através da câmara de
31SIMULAÇÃO EM SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS
Figura 3.2 – Fenda de Preissmann.
visita. O reservatório pode ter diferentes geometrias: reproduzir a curva de
volumes da superfície inundada ou uma geometria padrão sem relação
com o relevo da superfície do terreno. O volume armazenado durante o
período de inundação regressa por gravidade à rede quando existir
novamente capacidade de escoamento nos coletores.
a) b) c)
Uma das principais limitações desta abordagem é não considerar a
interação entre o escoamento nos coletores e na superfície, podendo,
assim, afastar-se consideravelmente da realidade (Figura 3.4). A neces-
sidade de prever corretamente a extensão da inundação levou ao desen-
volvimento do conceito de drenagem dual.
32 HIDROLOGIA URBANA – SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
Figura 3.3 – Tratamento tradicional das câmaras de visita no caso de o sistema de
drenagem entrar em carga: a) a água que chega à superfície perde-se; b) a altura de
água aumenta indefinidamente; c) a água é retida num volume definido pelo utilizador
e volta ao sistema quando este deixar de estar em carga.
Figura 3.4 – Abordagem tradicional das câmaras de visita. Aplicação em meio urbano
(adaptado de Maksimovic e Prodanovic, 2001).´ ´
3.4 Drenagem dual
Segundo a definição de drenagem dual apresentada por AMK Associates
(2004) os sistemas de drenagem pluvial urbana têm duas componentes
distintas: (1) uma superficial, sistema “major” ou principal, composta por
ruas, canais naturais e artificiais, depressões e zonas de acumulação de
água, entre outros; (2) uma rede de coletores, denominada sistema
“minor” ou secundário. Quando a capacidade de carga do sistema de
coletores é ultrapassada, a água sai dos coletores através das sarjetas,
sumidouros e câmaras de visita, surgindo à superfície. Este volume de
água