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1 ESTUDO DE CASO: SISTEMA DE DRENAGEM PLUVIAL NO LOTEAMENTO PARQUE DA LAGOA ULTILIZANDO O STORM WATER MANAGEMENT MODEL (SWMM) Sérgio Nascimento de Oliveira ¹ Yago Lucas Poubel Loureiro ² Joãzito Amorin ³ RESUMO Este trabalho tem como objetivo analisar o comportamento do sistema de drenagem em um loteamento no município da Serra, mais conhecido como “Parque da Lagoa” descrevendo a importância do uso de ferramentas e softwares que auxiliam no desenvolvimento e manutenção de um projeto de drenagem.Com a simulação e levantamento de dados do loteamento em estudo , utilizando o código computacional livre Modelo de Gestão de Drenagem Urbana (Storm Water Management Model – SWMM 5.0) será possível simular um evento de precipitação afim de levantar dados do escoamento chuva-escoamento-subsuperfície usado para a longo prazo da superfície / subsuperfície e qualidade principalmente da área em estudo. Com este estudo foi possível analisar o comportamento da rede de drenagem em uma pequena sub-bacia na qual é comum a ocorrência de pequenas inundações bem como analisar as possíveis causas para a ocorrência destes eventos na área de estudo. A pesquisa bibliográfica teve como ponto de partida o memorial técnico descritivo, da rede de drenagem do loteamento parque da lagoa, no qual serviu como base para a simulação no SWMM 5. Palavras-Chave: Drenagem. Loteamento. Lagoa 1 Graduando do Curso de Engenharia Civil – Faculdade Multivix/ SERRA 2 Graduando do Curso de Engenharia Civil – Faculdade Multivix/ SERRA 4 Professor Orientador. Mestre em Engenharia Ambiental e Recursos Hídricos 2 1. INTRODUÇÃO O crescimento urbano nas cidades brasileiras principalmente em polos regionais e o crescimento irregular da periferia tem produzido impactos significativos na infraestrutura de recursos hídricos. Um dos principais impactos que tem ocorrido na drenagem urbana é o aumento da frequência e magnitude das inundações, que consequentemente tem provocado impactos na população e no meio ambiente. Esses impactos vêm deteriorando a qualidade de vida da população prejudicando a qualidade da água e aumentando a presença de materiais sólidos no escoamento pluvial.(TUCCI, 2005) Cada vez mais há uma constante preocupação em como minimizar os efeitos das enchentes e inundações em determinadas áreas, no qual o fluxo do escoamento e pouco, com isso o estudo de caso demostrado neste artigo de um sistema de drenagem pluvial no loteamento parque da lagoa, utilizando o Storm Water management model, facilita o entendimento em como este programa traz benefícios, citando os sistemas de captação de água existente (boca de lobo, sarjetas, poço de visita, tubos de ligações e condutos) e como eles ajuda no processo de drenagem urbana, e o ciclo hidrológico do Estado do Espirito Santo. De acordo com moradores do condomínio, acredita-se que origem destas inundações são devidas a área do local ser desnivelada e o crescimento intenso habitacional do terreno, a pavimentação juntamente com a impermeabilização carrega com sigo a diminuição da infiltração do terreno. Consigo aumenta-se a vazão e o escoamento superficial, associa-se isto também a falta de limpeza e manutenção das bocas de lobo e dos poços de visita. Causando assim grandes alagamentos em épocas intensas de chuva. No sistema de drenagem urbana o escoamento de águas pluviais sempre ocorrerá independentemente de existir ou não sistema de drenagem adequado. A qualidade desse sistema é que determinará se os benefícios ou prejuízos à população serão maiores ou menores (SMDU, 2012). Espera-se que este trabalho possa servir como suporte para um melhor entendimento da utilização do SWMM na drenagem urbana, evitando assim 3 custos com construções de rede, pois será analisado o comportamento hidráulico da rede trazendo consigo uma estimativa de custo, e que possa suscitar novas discussões que propiciem uma maior consciência a respeito da drenagem em loteamento, principalmente em áreas de bacia hidrográfica. 2 OBJETIVO: 2.1.1 Objetivo Geral O trabalho tem como objetivo analisar a implementação de um sistema de drenagem em um loteamento no município da Serra e de descrever as vantagens da utilização do programa SWMM, no qual pode ser utilizado para a simulação de um único evento chuvoso, bem como para uma simulação contínua de longo prazo.. 2.1.2 Objetivo Especifico Analisar o projeto pluvial do loteamento “Parque da Lagoa”. Pesquisar as principais vantagens da utilização do Storm Water Management Model – SWMM através de pesquisa bibliográfica Conhecer, identificar e descrever a solução de problemas originado do alagamento das áreas da sub-bacias utilizando o software computacional SWMM para a modelagem hidráulica. 4 3 METODOLOGIA Para realização deste artigo foi feita uma pesquisa do tipo exploratória e descritiva a partir de referências teóricas publicadas em fontes como livros, artigos científicos, meios eletrônicos, normas técnicas e licenciamento ambiental. O desenvolvimento do trabalho tem como ponto de partida uma análise teórica, com consulta em arquivos da cristal empreendimentos imobiliários e Loteamento Jacuném, e pesquisa em livros, no qual direcione para melhor entendimento das precipitações de chuvas bem como o seu direcionamento pelos corpos receptores. Após as análises teóricas da área do loteamento partiu-se para a execução da simulação no SWMM aplicando no programa computacional todos os parâmetros de projeto afim de obter-se resultados bem como observar o comportamento da rede de drenagem 3.1 LOTEAMENTO PARQUE DA LAGOA A área a ser drenada apresenta topografia plana típica desta região, cujas cotas variam entre 19,0 m e 25,0 m. No aspecto de integração urbana o local é estrategicamente bem localizado, conforme mostra a figura 01 muito próximo a áreas já urbanizadas bem como a Lagoa Jacuném como corpo receptor do deflúvio hidrológico do loteamento. O projeto de drenagem pluvial foi desenvolvido com base no greideamento previsto, básicas para sua concepção. Para a confecção do projeto de drenagem, a empreendedora optou por dividir o loteamento em 54 sub-bacias, aproveitando o máximo a declividade natural da região, projeto confeccionado de forma simples, havendo apenas bocas de lobo no final das ruas para captação da água precipitada na região, entretanto na bacia 02 tem ocorrido eventos de inundações na qual tem gerado transtorno para os habitantes do loteamento. 5 3.2 STORM WATER MANAGEMENT MODEL (SWMM) O SWMM foi desenvolvido pela United States Environmental Protection Agency (EPA) para a simulação quali-quantitativa do escoamento de pequenas bacias, sendo capaz de simular aspectos dos ciclos hidrológicos e da qualidade da água. Durante as últimas décadas, o SWMM tem sido foco de muitos estudos que abordam a calibração empregando otimização mono-objetivo (LIONG & IBRAHIM, 1994, BARCO; WONG; STENSTROM, 2008; KIM et al., 2014) e multiobjetivo (KREBS et al., 2013; MULETA et al., 2013) Segundo Rossman (2010), o Modelo de Gestão de Drenagem Urbana (Storm Water Management Model – SWMM), da Agência Ambiental Americana (Enviroment Protecion Agency - EPA), é um modelo dinâmico chuvavazão que simula a quantidade e qualidade do escoamento superficial, especialmente em áreas urbanas; pode ser utilizado para a simulação de um único evento chuvoso, bem como para uma simulação continua de longo prazo. O modelo computacional SWMM 5 foi utilizado como uma ferramenta de análise para este trabalho, simulando o comportamento de uma sub-bacia bem como o sistema de drenagem de água pluvial localizado no Condomínio Boulevard Lagoa Figura 01– Vista aérea do loteamento parque da lagoa.Fonte :( Arquivo Cristal Empreendimentos, 2019 ) 6 em uma região onde ocorrem alagamentos constantes em dias de chuvas uma precipitação mais volumosa. 4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA De acordo com Botelho (2011), o caminho natural para o escoamento das águas pluviais urbanas é a calha de rua. Ás vezes, quando a vazão que passa é superior a capacidade de transporte de calha de rua, pode haver alagamento e até haver inundações, cabe captar essa vazão excedente. Temos então que captar parcela das águas pluviais, usando dispositivos de captação. O caminho natural para o escoamento das águas pluviais urbanas e a calha de rua. Ás vezes, quando a vazão que passa é superior a capacidade de transporte de calha da rua, pode haver alagamento e até haver inundações, cabe captar essa vazão excedente. Temos então que captar parcela das águas pluviais, usando dispositivos de captação. (BOTELHO, 2011) De acordo com Gribbin (2014), coletores e galerias de águas pluvial são tubulações subterrâneas usadas para transportar, segura e convenientemente, as águas de chuva de áreas urbanizadas até os corpos d´água, como córregos, rios e lagos. São usados comumente em estradas, áreas de estacionamento e, algumas vezes gramado. De acordo com Righetto (2009) para um sistema de drenagem ter o seu perfeito funcionamento é essencial que ruas, e estacionamentos sejam limpos continuamente para que não ocorram cargas de sólidos até os corpos receptores. 4.1 MICRODRENAGEM E MACRODRENAGEM Um sistema de drenagem em um todo e composto pelos sistemas de microdrenagem e macrodrenagem. De acordo com a Funasa(2006), a microdrenagem urbana é definida pelo sistema de condutos pluviais a nível de loteamento ou de rede primária urbana, que propicia a ocupação do espaço urbano ou periurbano por uma forma artificial de assentamento, adaptando-se ao sistema de circulação viária. 7 É formada de: - Boca de lobo: dispositivos para captação de águas pluviais, localizados nas sarjetas, conforme mostra as figuras 1 (a) (b). - Sarjetas: elementos de drenagem das vias públicas. A calha formada é a receptora das águas pluviais que incidem sobre as vias públicas e para que elas escoam; - Poço de Visita: dispositivos localizados em pontos convenientes do sistema de galerias para permitirem mudança de direção, mudança de declividade, mudança de diâmetro e limpeza das canalizações. Conforme mostra a figura 3; - Tubos de ligações: São canalizações destinadas a conduzir as águas pluviais captadas nas bocas de lobo para a galeria ou para os poços de visita; - Condutos: Obras destinadas à condução das águas superficiais coletadas. Atualmente no loteamento parque da lagoa conta com (cinquenta e quatro) 54 bocas de lobo, distribuídas ao longo do terreno. As bocas de lobo tem o objetivo de proporcionar segurança e bom funcionamento, quando em dias de chuva, o fluxo de água estar dos veículos e transeuntes. Em dias de chuva, a água deve Figura 01 (a) – Perspectiva Isométrica da boca de lobo utilizado no loteamento “Parque da Lagoa” Fonte :( Arquivo Cristal Empreendimentos, 2019 ) 8 correr pela superfície da rua até chegar na boca de lobo onde ira para reuso ou desaguar em rede pluvial. A figura 2 mostra a boca de lobo em funcionamento em dia de chuva. Os poços de visita mais conhecido como bueiro, exerce um papel importante pois é possível com ele, construir um sistema de drenagem funcional. Com interligação em trechos, mudanças de diâmetro, de nível ou de direção, além de servirem como acesso para manutenção. Figura 02 (b) – Foto das boca de lobo utilizadas no loteamento “Parque da Lagoa” Fonte :( Arquivo Pessoal, 2019 ) (b) Figura 03 – Planta Baixa do poço de visita implementado no “Parque da lagoa”. Fonte: (Arquivo Cristal Empreendimentos, 2019) 9 Estes poços visam melhorar as condições de escoamento de forma a atenuar os problemas de erosões, assoreamento e inundações ao longo dos principais talvegues (fundo de vale). Ela e responsável pelo escoamento final das águas, a qual pode ser formada por canais naturais ou artificiais. 5 MATERIAIS E MÉTODOS 5.1 PARÂMETROS DE PROJETO A empreendedora considerou uma intensidade de chuva de 10 cm/h para um tempo de recorrência de 10 anos e uma duração de chuva de 30 minutos. O cálculo das vazões totais da área da bacia foi feito através da fórmula prática de BURKLI – ZIEGLER : Q = 0,022 x E x A x P x 4 I / A onde : Q = Vazão, em m³/s E = Coeficiente médio de escoamento (deflúvio superficial) que depende da natureza do terreno da área drenada. A = Área da bacia a ser drenada, em hectares P = Precipitação pluviométrica média, em cm/h I = Declividade média do terreno, em m/km Considerando as características do empreendimento, e conforme concepção do projeto urbanístico, será adotado para E o valor de 0,30 conforme recomendações bibliográficas para ocupações dessa natureza. 10 5.1.2 DETERMINAÇÃO DAS VAZÕES DE PROJETO ( COMO REFERÊNCIA) A vazão de cada bacia seria definida de acordo com o greide final projetado e o tipo de pavimentação a ser implantado. Vazão (Q) das bacias.- Para cálculo destas vazões utilizamos a formula referenciada no parágrafo anterior: Q = 0,022 x E x A x P x 4 I / A , multiplicando por 1000 obteremos a vazão em l/s . Vazão (q) das caixas coletoras.- A partir da vazão definida em cada bacia (Q), consideramos a captação média de cada caixa coletora ou boca de lobo , dividindo a vazão total da bacia pelo N° de bocas de lobo (BL) previstas , ou seja : q= Q/N° 5.1.3 DIMENSIONAMENTO DA REDE COLETORA Dado o grande número de micro bacias, a empreendedora optou em dispensar o dimensionamento da rede e adotou diâmetros mínimos. Os elementos básicos considerados neste dimensionamento foram : - Diâmetro mínimo dos coletores = 0,40 m - Velocidade mínima do coletor = 0,65 m/s - Velocidade máxima do coletor= 7,00 m/s - Tirante máximo y/d = 1,00 - Recobrimento mínimo : 1,00 - Distancia máxima entre PVs = 90m - Coeficiente de rugosidade n = 0,013 - Material da tubulação = concreto armado 11 - Dadas às condições topográficas próprias do terreno, a rede de drenagem acompanha na maioria das vezes a declividade natural do mesmo. 5.1.4 CONSIDERAÇÕES GERAIS (PROJETO DE DRENAGEM) A rede coletora será constituída por tubulação de concreto armado Classe CA-1 nos diâmetros especificados no projeto. O diâmetro mínimo utilizado é de 0,40 m e o diâmetro máximo encontrado foi de 0,60 m. A declividade transversal das ruas considerada nos cálculos foi de 2% e o sentido da declividade está indicado na planta cadastro. Todas as caixas coletoras serão em concreto ou alvenaria de blocos e estarão localizadas adjacentes ao passeio; preferencialmente deverão ser utilizadas grelhas e tampões de ferro nos casos em que as caixas coletoras e/ou poços de visita se situarem nas faixas sujeitas a tráfego. Os poços de visita poderão ser construídos de alvenaria de tijolos maciços, alvenaria de blocos de concreto ou ainda de anéis de concreto. A ligação entre a caixa coletora e o PV será através de manilha de concreto simples C-2. As faces internas das paredes e do fundo poderão ser revestidas com argamassa de cimento e areia no traço 1:3. O sistema de drenagem aqui descrito, refere-se à drenagem das vias públicas, e considera que a drenagem dos lotes individuais será feita sempre pela testada, dos mesmos. Assim durante a execução da obra as medidas deverão ser tomadas no sentido de ser obedecida a premissa fundamental indicada acima. A coberturado solo nas valas desempenha um papel importante na taxa de infiltração; vegetação e gramas, em particular, tendem a aumentar a infiltração pelo afrouxamento do solo. 12 6 SIMULAÇÃO Inicialmente executamos o lançamento das sub-bacias de contribuição da parte da rede de drenagem a ser estudada com os parâmetros adotados em projeto, exportando-os do AutoCAD e redimensionando para serem utilizado como imagem de fundo no SWMM conforme mostra a figura 04. Posteriormente a aplicação da imagem, utilizando a mesma como parâmetro para a divisão das sub-bacias de contribuição. Desta forma, dividimos em seis sub-bacias de contribuição em uma área total de 81.470m² (8,147ha) compostas por 75% de área construída e 25% de área permeável, cujo escoamento é drenado até o ponto de saída comum denominado “nó”. O SWMM possui ferramentas que possibilita executar a modelagem hidráulica, como tubos, canais e unidades de armazenamento. Desta forma seguimos para a reconstrução da rede de drenagem respeitando sempre as cotas de nível. A rede de drenagem executada na área estudada é concebida de forma simples, em sua maioria, utiliza a própria sarjeta como canal para conduzir o volume precipitado na região até o exultório, que na área estudada possui 04 exultórios. Entretanto a área que apresenta alagamentos é concebida por 06 bocas de lobo, 3 condutos e 3 poços de visita executados conforme especificações de projeto. Figura 04 : Divisão das Sub-bacias Fonte: SWMM (2019) 13 O modelo computacional SWMM 5 foi utilizado como uma ferramenta de análise para este trabalho, simulando o comportamento de uma sub-bacia bem como o sistema de drenagem de água pluvial localizado no Condomínio Boulevard Lagoa em uma região onde ocorrem alagamentos constantes em dias de chuvas uma precipitação mais volumosa, conforme mostra a Figura 05. O resultado apresentado, levou em consideração, para efeito de análise, apenas um evento principal teórico, que possibilitou fornecer dados importantes para a confecção da simulação nas cheias nos condutos estudados, considerando que os mesmos estavam em situações e condições ideais de funcionamento, ou seja, completamente desobstruídos. Ao realizar a simulação do projeto no programa, este por sua vez, faz o processamento dos dados inseridos, gerando assim, uma janela que exibe informações da simulação conforme mostra a Figura 06, indicando que a simulação foi bem-sucedida, ocorrendo erros irrelevantes para Figura 05 – Região com maior fluxo de retenção de água. Fonte: Arquivo Pessoal (2019) 14 efeito desta simulação, sento -0.04% para escoamento superficial e 0.08 % da propagação da vazão (fluxo de roteamento). Através de uma das ferramentas contidas no SWMM, é possível visualizar de forma bem didática uma animação do projeto simulado, mostrando de forma clara, objetiva e resumida o comportamento do escoamento do fluxo da rede de drenagem pluvial. Desta forma, é possível observar se existe algum trecho ou ponto da rede sofreu alagamento, nos dando ainda o momento em que o alagamento acontece. Um dos recursos do programa é a visualização do sistema em perfil com efeitos de animação. Nas figuras observa-se graficamente que na simulação do escoamento, em 6 horas de precipitação com um volume de 112mm em cada bacia, houve um transbordamento do PV 01, entretanto, o PV 02 consegue absorver o volume transbordado no PV 01 que por ter uma distância relativamente baixa entre os PV’s não implicaria em alagamentos na região estudada. Isto significa que em uma chuva de 112mm em 6h não é suficiente para Figura 6: Resultado da Simulação Fonte: SWMM (2019) 15 ocasionar alagamentos na região, contrariando o que tem ocorrido nas últimas chuvas com um volume considerável. Desta forma, podemos observar de que por mais que tenhamos um volume de chuva considerável, este não é o motivo para os constantes alagamentos que ocorrem na região. Após o período chuvoso, foi realizado uma visita até o local, para uma análise das bocas de lobo existentes no local, a fim de detectar alguma irregularidade, entretanto, foi possível observar que as bocas de lobo constantes na região estavam com uma quantidade de folhas e detritos de modo que impediam o fluxo da água conforme mostra as Figuras 8 (a), (b) e (c), ocasionando assim, o represamento da água, impedindo o seu direcionamento até o exultório. Figura 07 - Gráfico do perfil no Poço de Visita 01 Fonte: Arquivo Pessoal (2019) 16 Figura 08(a) – Região onde o fluxo de retenção de água e maior Fonte: Arquivo Pessoal (2019) Figuras 09 (b) e (c) – Bocas de lobo com grande quantidade de folhagem Fonte: Arquivo Pessoal (2019) (b) (C) 17 7 DADOS LEVANTADOS PELO SWMM O loteamento parque da lagoa apresenta diversas bacias, entre elas a que mais apresenta problemas de alagamentos e a Sub bacia 02 no qual é a bacia em estudo. A origem destes alagamentos e devido a área do local ser desnivelada e o crescimento intenso habitacional do terreno, o calcamento juntamente com a impermeabilização carrega com sigo a diminuição da infiltração do terreno. Com isso aumenta-se a vazão e o escoamento superficial, associa-se isto também a falta de limpeza e manutenção das bocas de lobo e dos poços de visita. Causando assim grandes alagamentos em épocas intensas de chuva. Com o levantamento dos dados da área dessa bacia, a utilização do SWMM foi de muito valor, porque viabilizou o estudo do progresso da bacia observou-se graficamente que na simulação do escoamento, em 6 horas de precipitação com um volume de 112mm em cada bacia não é suficiente para ocasionar alagamentos na região, contrariando o que tem ocorrido nas últimas chuvas com um volume considerável. 18 8 CONCLUSÃO Os resultados levantados neste artigo com a contribuição do programa SWMM, evidencia a sua importância no estudo e desenvolvimento de criação e implantação de projetos, pois e possível gerar uma otimização da tubulação a ser usada, com isso há redução de custos com construções de rede, pois será analisado o comportamento hidráulico da rede trazendo consigo uma estimativa de custo. O programa computacional SWMM (STORN WATER MANAGEMENT MODEL) tem mostrado desempenho satisfatório no auxilio de planejar e gerenciar obras e projetos de drenagem conforme analisamos neste trabalho. Durante a execução do projeto a ferramenta computacional proporciona a oportunidade de simular eventos hidrológicos na área de projeto, possibilitando prever erros de projeto bem como projeções de impactos futuros de que o projeto poderá sofrer à medida que houver alterações significativas na área de drenagem bem como se houver crescimento urbano na região. Neste trabalho, concluímos de que a rede de drenagem na qual foi construída pela empreendedora e incorporador trabalho no limite, entretanto não sendo esse o motivo da ocorrência de eventos de alagamentos na área de estudo. Mostrando que por mais que façamos projetos respeitando as normas técnicas construtivas, diâmetros nominais mínimos, declividade mínima e demais parâmetros de projetos, é necessário manter uma manutenção constante na rede de drenagem no que tange à limpeza e desobstrução das bocas de lobo para que não ocorram eventos de alagamentos conforme mostrado neste trabalho. Os resultados mostrados nesta pesquisa demonstram o êxito da modelagem hidráulica e hidrológica utilizando o SWMM, no qual tem se mostrado uma ferramenta imprescindível para a confecção e execução de projetos de drenagem. 19 9 REFERÊNCIAS BARCO, J.; WONG, K.M.; STENSTROM, M.K. (2008) Automatic Calibration of the U.S. EPA SWMM Model for a Large Urban Catchment. Journal of HydraulicEngineering. v. 134, n. 4, p. 466-474 BOTELHO, M. Águas de Chuva. Engenharia das águas pluviais nas Cidades 3ªed.São Paulo.Blucher. 2011. Fundação Nacional de Saúde - FUNASA. Manual de Saneamento. 4ªed.Brasil. 2006. GRIBBIN,J. Introdução a Hidráulica, Hidrologia e gestão de águas pluviais. 3ªed .São Paulo: Cengage Learning.2009. ____________________________________________.4ªed.São Paulo: Cengage Learning.2014. LIONG, S.Y. & IBRAHIM, Y. (1994) Estimation of peak flow and runoff volume with response surface method. Journal of Water Resources Planning Management, v. 120, n. 2, p. 161-175. ROSSMAN, L.A. Storm Water Management Model, Version 5.0: User’s Manual. U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnat. OH, 2010. TUCCI, Carlos E. M.Hidrologia Ciência e Aplicação. 4.ed. Porto Alegre. Evangraf, 2005 São Paulo (cidade). Secretaria Municipal de Desenvolvimento Urbano (SMDU). Manual de drenagem e manejo de águas pluviais:gerenciamento do sistema de drenagem urbana. São Paulo: SMDU, 2012.
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