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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS COORDENAÇÃO DA ÁREA DE CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM CONSTRUÇÃO DE EDIFÍCIOS REDUÇÃO DOS EFEITOS DA IMPERMEABILIZAÇÃO DO SOLO URBANO POR MEIO DE DISPOSITIVOS DE INFILTRAÇÃO Trabalho de conclusão de curso para Graduação em Tecnologia Márcio Paim Pamplona Fernandes Dezembro - 2010 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS COORDENAÇÃO DA ÁREA DE CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM CONSTRUÇÃO DE EDIFÍCIOS REDUÇÃO DOS EFEITOS DA IMPERMEABILIZAÇÃO DO SOLO URBANO POR MEIO DE DISPOSITIVOS DE INFILTRAÇÃO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO apresentado para conclusão do Curso Superior de Tecnologia em Construção de Edifícios da Coordenação da Área de Construção Civil no INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS – IFG, para obter o grau de Tecnólogo. Márcio Paim Pamplona Fernandes Goiânia, Dezembro de 2010 Ficha catalográfica elaborada pelo Bibliotecário Alisson de Sousa B. Santos CRB-1/2.266 Biblioteca Professor Jorge Félix de Souza, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás F3911r Fernandes, Márcio Paim Pamplona. Redução dos efeitos da impermeabilização do solo urbano por meio de dispositivos de infiltração / Márcio Paim Pamplona Fernandes – Goiânia, 2010. 79 p. : il. Orientadora: Profa. Dra. Jussanã Milograna. TCC (Conclusão de Curso) – Coordenação da Área de Construção Civil, Curso de Superior de Tecnologia em Construção de Edifícios, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás. 1. Urbanização - inundações. 2. Impermeabilização do solo. 3. Poço de infiltração. I. Milograna, Jussanã (orientadora) II. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás, Curso Superior de Tecnologia em Construção de Edifícios. CDD 627 REDUÇÃO DOS EFEITOS DA IMPERMEABILIZAÇÃO DO SOLO URBANO POR MEIO DE DISPOSITIVOS DE INFILTRAÇÃO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO aprovado para obtenção de Grau de Tecnólogo do Curso Superior de Tecnologia em Construção de Edifícios do INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS, pela banca formada por: Goiânia, 04 de Dezembro de 2010. BANCA EXAMINADORA _______________________________________________ Prof.ª Dra. Jussanã Milograna - IFG Orientadora _______________________________________________ Prof.º MSc. Antônio Henrique Capuzzo Martins - IFG Examinador Interno _______________________________________________ Prof.ª MSc. Fernanda Posch Rios - IFG Examinadora Interna Dedico esta conquista à minha amada esposa Lidiane, as nossas filhas Amanda e Beatriz e aos meus queridos pais, Valdemar e Lionilda. AGRADECIMENTOS Agradeço ao meu Senhor e meu Deus pela possibilidade de encerrar esta graduação, apesar de algumas dificuldades enfrentadas no caminho, mas todos que participam da minha vida encontraram-se saudáveis. Obrigado Senhor. Lembro aqui também de todos os meus professores que me auxiliaram na aquisição dos conhecimentos necessários à minha aprendizagem e a minha evolução como ser humano e profissional, ético e comprometido. Obrigado a todos. Cabe um agradecimento especial a minha orientadora Jussanã Milograna por ter aceitado o desafio de me auxiliar nesta etapa tão importante, obrigado. Não posso esquecer-me dos colegas de sala, quantas dificuldades e superações. Agradeço a todos os profissionais da ELETROBRAS Furnas Centrais Elétricas S.A. pelos ensaios por eles realizados e por terem me proporcionado uma convivência sadia e um aprendizado estimável. Lembro-me também dos colegas estagiários e dos desafios superados. Valeu. Agradeço a minha sogra Maria Celeste e meu sogro Luiz Carlos por fazerem o máximo possível para preencher a minha ausência no ambiente familiar, quando das aulas e atividades acadêmicas. Meu muito obrigado por tudo. Não poderia esquecer que este sonho não era só meu, meus queridos pais, Valdemar e Lionilda sonharam com isso muito antes de mim. Aqui estou, realizei o nosso sonho, agradeço a vocês por acreditarem e me apoiarem sempre. Amo vocês! Meus agradecimentos se encerram por reconhecer que as minhas dificuldades só foram vencidas graças ao apoio da minha amada esposa Lidiane, que cuidou de mim e de tudo para que eu tivesse sucesso nesse objetivo que, tenho certeza, era nosso. Nesse tempo nossa filha Amanda cresceu, a Beatriz nasceu e tudo foi maravilhoso, amo muito vocês. Desculpe-me pela ausência que se fez necessária. Obrigado meu amor por tudo possível e até impossível que você fez por nós. RESUMO A urbanização com ocupação desordenada do solo resulta em construções nas áreas ribeirinhas, naturalmente propícias a cheias, que juntamente com o processo de impermeabilização da superfície do solo são os principais responsáveis pelas inundações urbanas. A ocupação indevida e a impermeabilização do solo acabam por reduzir drasticamente a infiltração da água no solo, aumentando assim o volume de água que escoa pelas superfícies até o encontro com os elementos da rede de drenagem clássica, que por sua vez, transfere o volume de água, como também, os problemas causados pelas inundações para jusante da bacia hidrográfica. Este trabalho teve o objetivo de analisar as condições de escoamento de uma parcela urbana e escolher, dentre as alternativas de dispositivos compensatórios para o controle dos impactos da impermeabilização do solo, uma que se adequasse a uma situação real. Para o estudo de caso o dispositivo que julgou-se melhor adaptado a área de uma parcela urbana, foi o poço de infiltração que apresentou as características ideais para tal. Para o dimensionamento do poço foram realizados ensaios em campo e laboratoriais para identificar as características físicas locais tais como o tipo de solo e sua respectiva capacidade de infiltração de água, e a vazão do escoamento natural do terreno. Assim foi estabelecido um sistema de controle que utiliza poços de infiltração os quais foram dimensionados para três diferentes situações de impermeabilização: 100%, 85% e 15% da área total do lote. O dimensionamento resultou em um sistema de poços de infiltração capazes de remeter a vazão de pico ao nível de pré-urbanização em todas as situações estudadas. Os resultados mostraram a capacidade do poço de infiltração em contribuir para a atenuação da ocorrência das inundações urbanas e a consequentemente redução das perdas econômicas e de vidas humanas decorrentes desses eventos. Palavras-Chaves: Urbanização; Impermeabilização do solo; Inundações; Controle na fonte; Dispositivos compensatórios; Poço de infiltração. ABSTRACT Urbanization with disorderly occupation of the ground results in construction in riparian areas naturally prone to flooding, which along with the process of sealing the soil surfaceare the main cause of urban flooding. The occupation and improper sealing of the soil eventually drastically reduce water infiltration into the soil, thus increasing the volume of water that flows over the surfaces until the encounter with the elements of classical drainage network, which in turn transfers the amount of water but also the problems caused by flooding downstream watershed. This study aimed to analyze the flow conditions of a share of urban and choose among the alternatives of compensation arrangements for controlling the impacts of soil sealing, one that suited to a real situation. To study if the device was deemed best suited to a share of urban area, was the infiltration pit that had the ideal characteristics for this. For the sizing of the well tests were conducted in field and laboratory to identify the physical locations such as soil type and their suitability for water infiltration, runoff and flow of the land. Thus was established a control system that utilizes infiltration wells which were designed for three different situations of sealing: 100%, 85% and 15% of the total area of the lot. The design resulted in a system of infiltration wells capable of referring the discharge peak at the pre-urbanization in all situations studied. The results showed the capacity of the infiltration pit to contribute to the mitigation of the occurrence of urban flooding and consequently reducing the economic losses and human lives resulting from these events. Key words: Urbanization; Waterproofing soil, floods, control at source; compensatory devices; Well infiltration. ÍNDICE DE FIGURAS Figura Página Figura 2.1 Ciclo hidrológico e volumes de fluxos anuais, baseados na precipitação anual na superfície da terra, aproximadamente 119.000 km³/ano. ......................................................... 21 Figura 2.2 Relevo de uma bacia hidrográfica e as entradas e saídas de água: p é a precipitação; et é a evapotranspiração e rs é o escoamento. .......................................................................... 23 Figura 2.3 Exemplo de uma bacia hidrográfica delimitada sobre um mapa topográfico. ........ 23 Figura 2.4 Tipos de chuva. ....................................................................................................... 24 Figura 2.5 Características de um pluviômetro. ......................................................................... 25 Figura 2.6 Composição típica do solo. ..................................................................................... 26 Figura 2.7 Ciclo do escoamento superficial em áreas impermeabilizadas. .............................. 31 Figura 2.8 Componentes do escoamento dos cursos de água. .................................................. 32 Figura 2.9 Curva de vazão (hidrograma) registrada em uma seção de um curso de água devida a uma precipitação ocorrida na bacia hidrográfica. .................................................................. 35 Figura 2.10 Perfil de um curso de água sob precipitação ocorrida na bacia hidrográfica. ....... 36 Figura 2.11 Grau de urbanização segundo as grandes regiões do Brasil – 1991/2000. ........... 39 Figura 2.12 Hidrogramas antes e após a urbanização. ............................................................. 39 Figura 2.13 Processos que ocorrem numa área urbana. ........................................................... 40 Figura 2.14 Poço de infiltração................................................................................................. 47 Figura 2.15 Vista panorâmica de um valo de infiltração. ......................................................... 48 Figura 2.16 Trincheira de infiltração integrando à paisagem urbana. ...................................... 48 Figura 2.17 Em a) Tipo de pavimento intertravado; e b) Pavimento com preenchimento de grama (concregrama). ............................................................................................................... 49 Figura 2.18 Telhado verde. ....................................................................................................... 50 Figura 2.19 Reservatórios. ........................................................................................................ 50 Figura 2.20 Em a) Vista panorâmica de uma bacia de detenção. ............................................. 51 Figura 3.1 Localização Geográfica da Parcela Urbana. ........................................................... 55 Figura 3.2 Locação dos pontos de realização do ensaios no terreno. ....................................... 56 Figura 3.3 Esquema da montagem final do ensaio de infiltração. ............................................ 59 Figura 3.4 Materiais utilizados no ensaio de infiltração. .......................................................... 60 Figura 3.5 Cravação dos anéis do ensaio de infiltração. .......................................................... 61 Figura 3.6 Montagem final do ensaio de infiltração. ................................................................ 61 Figura 3.7 Início do ensaio de infiltração. ................................................................................ 62 Figura 4.1 Curvas dos ensaios de infiltração. ........................................................................... 70 Figura 4.2 Poço de infiltração................................................................................................... 74 ÍNDICE DE TABELAS Tabela Página Tabela 2.1 A água na Terra. ..................................................................................................... 20 Tabela 2.2 Classificação das partículas que compõe o solo de acordo com o diâmetro. ......... 28 Tabela 2.3 Pressões de saturação do vapor de água em função da temperatura. ...................... 30 Tabela 2.4 Etapas do estudo das características da bacia hidrológica. ..................................... 37 Tabela 2.5 Causas e efeitos da urbanização sobre as inundações urbanas. .............................. 40 Tabela 2.6 Medidas estruturais extensivas. .............................................................................. 42 Tabela 2.7 Medidas estruturais intensivas. ............................................................................... 43 Tabela 2.8 Importância relativa de restrições à implantação e operação das técnicas. ............ 52 Tabela 2.9 Vocação e possibilidades das técnicas. ................................................................... 53 Tabela 3.1 Ensaios e Normas da ABNT. .................................................................................. 63 Tabela 3.2 Valores do Coeficiente de escoamento (C). ........................................................... 64 Tabela 3.3 Intensidade pluviométrica (mm/h) em Goiânia / GO para duração de 5 minutos. . 65 Tabela 4.1 Dados obtidos durante a realização do ensaio de infiltração pelo método dos cilindros concêntricos no ponto 01. .......................................................................................... 69 Tabela 4.2 Dados obtidos durante a realização do ensaio de infiltração pelo método dos cilindros concêntricos no ponto 02. .......................................................................................... 70 Tabela 4.3 Ensaio de Determinação do Teor de Umidade do Solo – NBR 6457/1986 ........... 71 Tabela 4.4 Classificação Granulométrica – NBR 6502/1995................................................... 71 Tabela 4.5 Simulação de dimensionamento de poços de infiltração. ....................................... 73 Tabela A 1 Ensaio de Determinação do Teor de Umidade do Solo – NBR 6457/1986. .......... 81 Tabela A 2 Ensaio de Determinação da Massa Específica – NBR 6508/1984. ....................... 82Tabela A 3 Ensaio de Limite de Plasticidade – NBR 7180/1984. ............................................ 83 Tabela A 4 Ensaio de Limite de Liquidez – NBR 6459/1984. ................................................. 83 Tabela A 5 Análise Granulométrica com Sedimentação com Defloculante – NBR 7181/1984. .................................................................................................................................................. 84 Tabela A 6 Classificação Granulométrica – NBR 6502/1995. ................................................. 84 Tabela A 7 Vantagens e inconvenientes das medidas compensatórias. ................................... 86 Tabela A 8 Características necessárias à inserção das técnicas compensatórias. ..................... 89 Tabela A 9 Uso do Solo da Parcela Urbana. ............................................................................ 93 Tabela A 10 Tabela I: Parâmetros urbanísticos – Afastamentos. ............................................. 95 Tabela A 11 Tabela II: Balanço máximo sobre os recuos obrigatórios. ................................... 96 ÍNDICE DE EQUAÇÕES Equação Página Equação 3.1 Vazão máxima. ................................................................................................... 64 Equação 3.1 Volume de aporte. ............................................................................................... 66 LISTA DE SÍMBOLOS, ABREVIAÇÕES E SIGLAS " Polegada # Abertura da Peneira % Porcentagem °C Grau Celsius A Área ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ABRH Associação Brasileira de Recursos Hídricos apud Citado por atm Atmosfera CA Caracterização cm Centímetro cm/h Centímetro por hora DCT.C Departamento de Apoio e Controle Técnico - Construção Dra. Doutora et al Entre outros FAE Fundação de Assistência ao Estudante g Grama g/cm³ Grama por centímetro cúbico ha Hectare I Intensidade pluviométrica I Taxa de infiltração IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IFG Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás IP Índice de plasticidade IP Índice de plasticidade IPH Instituto de Pesquisas Hidráulicas ISC Índice de Suporte Califórnia IT Instruções de Trabalho k Taxa de decaimento km² Quilômetro quadrado LABS.C Laboratório de Mecânica dos Solos - Construção LP Limite de plasticidade m Metro m/h Metro por hora m/s Metro por segundo m² Metro quadrado m³ Metro cúbico m³/s Metro cúbico por segundo mH2O Milímetros de água min Minuto ml Mililitro mm Milímetro mm/h Milímetro por hora MS Mecânica dos solos NBR Norma Brasileira Org. Organizador Q Vazão s Segundo s.d. Sem data t Tempo tC Tempo de concentração TCC Trabalho de conclusão de curso tR Tempo de retorno UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul w Umidade γ Peso específico ρs Massa específica real dos grãos SUMÁRIO Capítulo Página 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 17 1.1 OBJETIVOS ................................................................................................................... 18 1.1.1 Objetivo geral .............................................................................................................. 18 1.1.2 Objetivos específicos ................................................................................................... 18 2 REFERENCIAL TEÓRICO ....................................................................... 20 2.1 CICLO HIDROLÓGICO .............................................................................................. 20 2.2 BACIA HIDROGRÁFICA ............................................................................................ 22 2.3 PRECIPITAÇÕES ......................................................................................................... 24 2.4 INFILTRAÇÃO ............................................................................................................. 26 2.4.1 Grandezas características da infiltração .................................................................. 27 2.4.2 Fatores intervenientes da infiltração ......................................................................... 28 2.5 EVAPOTRANSPIRAÇÃO ............................................................................................ 29 2.5.1 Grandezas características da evapotranspiração .................................................... 29 2.5.2 Fatores intervenientes da evapotranspiração ........................................................... 30 2.6 ESCOAMENTO SUPERFICIAL ................................................................................. 31 2.6.1 Grandezas características do escoamento superficial ............................................. 32 2.6.2 Fatores intervenientes do escoamento superficial .................................................... 33 2.6.3 O Hidrograma ............................................................................................................. 34 2.7 DRENAGEM URBANA ................................................................................................ 36 2.7.1 Conceitos ...................................................................................................................... 36 2.7.2 Princípios para elaboração de planos diretores de drenagem ................................ 38 2.8 IMPACTOS DA URBANIZAÇÃO .............................................................................. 38 2.9 CHEIAS EM ÁREAS URBANAS ................................................................................ 41 2.9.1 Inundações ................................................................................................................... 41 2.9.2 Medidas para controle de inundações ....................................................................... 42 2.9.2.1 Medidas Estruturais ................................................................................................... 42 2.9.2.2 Medidas não-estruturais ............................................................................................. 43 2.10 MEDIDAS COMPENSATÓRIAS NO CONTROLE DAS INUNDAÇÕES ............ 44 2.10.1 Classificação das técnicas compensatórias ............................................................... 45 2.10.2 Atuação das técnicas compensatórias ....................................................................... 45 2.10.2.1 Poços de infiltração e injeção .................................................................................. 46 2.10.2.2 Valas de detenção e infiltração ................................................................................ 47 2.10.2.3 Trincheiras de detenção e infiltração ....................................................................... 48 2.10.2.4 Pavimentos permeáveis ............................................................................................ 49 2.10.2.5 Telhados armazenadores .......................................................................................... 49 2.10.2.6 Reservatórios de armazenamento e reuso ................................................................ 50 2.10.2.7 Bacias de detenção e retenção.................................................................................. 50 2.11 ANÁLISE DA VIABILIDADE DAS TÉCNICAS COMPENSATÓRIAS ............... 51 3 METODOLOGIA ........................................................................................55 3.1 LOCALIZAÇÃO E DELIMITAÇÃO DA ÁREA EM ESTUDO ............................. 55 3.2 ESCOLHA DO DISPOSITIVO DE INFILTRAÇÃO ................................................ 56 3.3 ENSAIO DE INFILTRABILIDADE DO SOLO ........................................................ 57 3.3.1 Medição da infiltrabilidade ........................................................................................ 59 3.3.1.1 Materiais utilizados .................................................................................................... 59 3.3.1.2 Seqüência de execução .............................................................................................. 60 3.4 ENSAIO DE TEOR DE UMIDADE E CARACTERIZAÇÃO DO SOLO .............. 62 3.5 VERIFICAÇÃO DO NÍVEL DO LENÇOL FREÁTICO ......................................... 63 3.6 ESTIMATIVA DA VAZÃO MÁXIMA PRÉ-URBANIZAÇÃO .............................. 63 3.7 DIMENSIONAMENTO DO POÇO DE INFILTRAÇÃO ......................................... 65 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ..................................... 69 4.1 RESULTADO DO ENSAIO DE INFILTRABILIDADE ........................................... 69 4.2 RESULTADO DO ENSAIO DE TEOR DE UMIDADE E CARACTERIZAÇÃO DO SOLO ................................................................................................................................ 71 4.3 RESULTADO DA VERIFICAÇÃO DO NÍVEL LENÇOL FREÁTICO ................ 71 4.4 CÁLCULO DA VAZÃO MÁXIMA PRÉ-URBANIZAÇÃO .................................... 72 4.5 CÁLCULO DO VOLUME DE APORTE .................................................................... 72 4.6 DIMENSIONAMENTO DO POÇO DE INFILTRAÇÃO EM DIFERENTES SITUAÇÕES ........................................................................................................................... 73 4.7 DETALHAMENTO DO POÇO DE INFILTRAÇÃO ............................................... 74 5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES .................................................. 75 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 77 APÊNDICE A - PLANILHAS DO ENSAIOS REALIZADOS EM LABORATÓRIO .............................................................................................. 80 ANEXO A - CRITÉRIOS DE ESCOLHA DE TÉCNICAS COMPENSATÓRIAS ....................................................................................... 85 ANEXO B – PARÂMETROS URBANÍSTICOS DA PARCELA URBANA ............................................................................................................................. 92 17 1 INTRODUÇÃO Desde os primórdios o homem modifica o meio em que vive. Uma dessas modificações é a urbanização, processo no qual áreas são estruturadas resultando em aglomerações de edificações e pessoas dando origem aos grandes centros urbanos. O crescimento das cidades é um fator positivo para o desenvolvimento de uma sociedade, contudo deve-se trabalhar a fim de minimizar os efeitos prejudiciais deste processo. Onde antes se tinha grandes áreas verdes permeáveis hoje há um aglomerado de edificações que prejudicam a captação das águas pluviais e sua infiltração no solo. Conseqüentemente não ocorre a alimentação do lençol freático e o volume de água excedente escoa pelas sarjetas e pavimentos asfálticos até desaguar a jusante em rios da cidade. A grande vazão e velocidade das águas associada a uma ineficaz rede de drenagem pluvial acarretam enchentes localizadas, erosões e assoreamento dos rios. Segundo Tucci (2003), o crescimento urbano das grandes cidades ganha força com a urbanização descontrolada de regiões com loteamentos irregulares em risco. Isto torna cada vez mais freqüente a ocorrência de inundações urbanas. A quantidade de água que chega aos condutos e canais tem sido intensificada pela própria impermeabilização do solo que acelera o escoamento, resultando em freqüentes alagamentos nas cidades. A velocidade com que a água chega ao canal é superior ao tempo de escoamento para jusante aumentando cada vez mais a ocorrência de enchentes nas ruas e avenidas. As inundações urbanas ocorrerem comumente em bacias pequenas de até 100 km² e o fator responsável é a impermeabilização do solo. A freqüência dos alagamentos na cidade de Goiânia-Goiás foi o grande motivador do desenvolvimento deste estudo que busca a análise de dispositivos compensatórios à impermeabilização dos solos, como alternativas de controle das vazões aproximando-as dos níveis de pré-urbanização. As medidas compensatórias de controle na fonte atuam sobre pequenas áreas como lotes, praças, e passeios, com o intuito de agir sobre as causas do aumento da vazão. Podem ser usados pavimentos permeáveis, trincheiras de infiltração e reservatórios residenciais, que aumentam a infiltração da água no solo e/ou retardam o escoamento. O reservatório residencial armazena temporariamente a vazão no lote, reduzindo a descarga na rede pública e o escoamento superficial (MOURA, 2005). Daí constata-se a necessidade de associar a urbanização a políticas que estabeleçam uma relação equilibrada entre o desenvolvimento urbano e a manutenção das características 18 originais da região, preservando as características de infiltração do solo nas condições de pré- urbanização. A partir do exposto pretende-se verificar a eficácia de dispositivos de infiltração em nível de micro-bacia hidrológica na cidade de Goiânia. O presente estudo foi estruturado em seis capítulos. A seguir é apresentada uma descrição sucinta do conteúdo de cada capítulo que estão assim distribuídos: a) Capítulo 1: é apresentada a introdução do assunto com algumas considerações da importância do tema, seus objetivos e metodologia de estudo; b) Capítulo 2: referencial teórico de Hidrologia, abordando principalmente o ciclo hidrológico e seus componentes, o escoamento superficial, a drenagem urbana, os impactos da urbanização e os dispositivos de controle das enchentes; c) Capítulo 3: é feita a apresentação da área de estudo com sua localização e delimitações. É descrita também a metodologia utilizada para execução dos ensaios. d) Capítulo 4: apresenta os resultados obtidos nos ensaios de caracterização do solo e infiltrabilidade, permitindo definir o solo em estudo juntamente com sua taxa de infiltração, como também o nível do lençol freático; e) Capítulo 5: demonstração dos cálculos, dimensionamento e detalhamento do dispositivo de infiltração. f) Capítulo 6: são apresentadas as conclusões do estudo. 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo geral O presente estudo tem como objetivo geral analisar as condições de escoamento superficial e avaliar o potencial de um dispositivo de infiltração para o controle do mesmo numa parcela urbana. 1.1.2 Objetivos específicos Dentre os objetivos específicos têm-se: a) Identificar o nível de escoamento superficial na condição de pré-urbanização em um lote urbano; 19 b) Correlacionar este nível com a taxa de permeabilidade da legislação vigente e os parâmetros relacionados ao controle do escoamento no lote; c) Relacionar os dispositivos compensatórios de infiltração aplicáveis a um lote; d) Estabelecer diretrizes para a inserção de um dispositivo de infiltração no lote; e) Executar o dimensionamento de um dispositivo de infiltração adequado para a compensação da impermeabilização do solo em nível de parcela urbana. 20 2 REFERENCIAL TEÓRICO Neste capítulo serão apresentados alguns conceitos da hidrologia com foco no ciclo hidrológico, abordando principalmente os seus fenômenos naturais. Há também uma explanação sobre o escoamento superficial, a drenagem urbana, os impactos da urbanizaçãoe os dispositivos de controle das enchentes, finalizando com uma revisão dos principais dispositivos de infiltração utilizados para controle na fonte do escoamento superficial. Este capítulo será referencial de informação e conhecimento para o desenvolvimento do trabalho em questão. 2.1 CICLO HIDROLÓGICO Á água é a substância com maior abundância na superfície da Terra presente em mais de 70% do globo está distribuída conforme a Tabela 2.1, sendo a única substância encontrada naturalmente nos três estados físicos: líquido, sólido e gasoso. Apesar de algumas ocorrências regionais de escassez de água, a quantidade de água no planeta hoje é a mesma de milhões de anos atrás. As principais utilizações da água pelo homem são para o abastecimento humano; irrigação; dessedentação animal; geração de energia elétrica; navegação; diluição de efluentes; pesca; recreação e paisagismo (COLLISCHONN; TASSI, 2010). Tabela 2.1 A água na Terra (GLEICK, 2000 apud COLLISCHONN; TASSI, 2010). Percentual água do planeta (%) Percentual da água doce (%) Oceanos / água salgada 97 Gelo Permanente 1,7 69 Água subterrânea 0,76 30 Lagos 0,007 0,26 Umidade do solo 0,001 0,05 Água atmosférica 0,001 0,04 Banhados 0,0008 0,03 Rios 0,0002 0,006 Biota 0,0001 0,003 A ciência que estuda a água é a Hidrologia que Meyer (1948) apud Collischonn e Tassi, (2010) define como sendo a ciência natural que trata dos fenômenos relativos à água 21 em todos os seus estados, de sua distribuição e ocorrência na atmosfera, na superfície terrestre e no solo, e da relação desses fenômenos com a vida e com as atividades do homem. Garcez (2002) afirma que a Hidrologia de um local é grandemente influenciada pela fisiografia regional: proximidade dos oceanos; presença de montanhas; fortes declives; depressões; etc. Segundo relataram Collischonn e Tassi (2010), há indícios da construção de canais, diques, barragens, condutos subterrâneos e poços ao longo do rio Indus, no Paquistão, dos rios Tigre e Eufrates, na Mesopotâmia, do Hwang Ho na China e do Nilo no Egito, há pelo menos 5000 anos. Contudo a Hidrologia como uma ciência é recente, a concepção geral do ciclo hidrológico só começou a tomar forma na Renascença, século XIV, com Da Vinci e outros (PINTO et al., 1976). O ciclo hidrológico ilustrado na Figura 2.1 é o elemento central da hidrologia. Refere- se à troca contínua de água na hidrosfera, entre a atmosfera, a água do solo, águas superficiais, subterrâneas e das plantas. A energia que movimenta o ciclo hidrológico é a fornecida pelo sol. Figura 2.1 Ciclo hidrológico e volumes de fluxos anuais, baseados na precipitação anual na superfície da terra, aproximadamente 119.000 km³/ano (HARVEY, 2004 apud CARVALHO, 2008). 22 Quando considerado de forma generalizada, o volume de água compreendido no ciclo hidrológico é relativamente constante. Todavia, quando se considera áreas limitadas, as quantidades de água variam continuamente. A superabundância e a escassez de chuvas representam os extremos dessa variação. O ciclo hidrológico é composto de duas fases principais, uma atmosférica e outra terrestre. Cada uma delas inclui o armazenamento temporário, o transporte e a mudança do estado da água (GARCEZ, 2002). Segundo Pinto et al. (1976), partindo da precipitação como ponto inicial do ciclo, que na realidade é fechado, parte da água precipitada não atinge o solo, seja por evaporação ou interceptação durante a queda. Esta última pode ocorrer pela vegetação ou obstáculos físicos como as edificações. Do restante que chega ao solo, parte se infiltra e após saturação da superfície a água começa a escoar. Também ocorre o movimento da água pela transpiração das plantas. Assim os principais processos constituintes do ciclo hidrológico são as precipitações, o escoamento superficial, a infiltração e a evapotranspiração. O ciclo hidrológico é tratado com ênfase na fase terrestre, onde o elemento fundamental é a bacia hidrográfica, de onde se iniciam análises quanto ao manejo adequado das águas para minimizar prejuízos, como no caso das inundações provocadas por chuvas intensas em áreas urbanas ou pelas cheias dos grandes rios. Relacionados a estes temas estão os estudos de Drenagem Urbana e de Controle de Cheias e Inundações (COLLISCHONN; TASSI, 2010). 2.2 BACIA HIDROGRÁFICA Collischonn e Tassi (2010) definem a bacia hidrográfica como sendo a área de captação natural dos fluxos de água originados a partir da precipitação, que convergem para um único ponto de saída, denominado exutório, conforme Figura 2.2. A delimitação de uma bacia hidrográfica requer a definição de um curso d’água e de informações sobre o relevo da região. Uma bacia hidrográfica pode ser dividida em sub-bacias e cada uma das sub-bacias pode ser analisada como uma micro-bacia hidrográfica. 23 Figura 2.2 Relevo de uma bacia hidrográfica e as entradas e saídas de água: p é a precipitação; et é a evapotranspiração e rs é o escoamento (adaptado de HORNBERGER et al., 1998 apud COLLISCHONN; TASSI, 2010). A bacia hidrográfica é um sistema físico fechado sujeito à entrada de água por precipitações e saída de água por escoamento e evapotranspiração. As características de uma bacia estão diretamente ligadas as características físicas, quais sejam: a área, o comprimento da drenagem principal e a declividade. Este conjunto físico delimita a bacia como mostra a Figura 2.3. O potencial hídrico de uma bacia é diretamente proporcional a área da mesma, já que esta área multiplicada pela lâmina precipitada ao longo de um intervalo de tempo resulta no volume de água recebido (COLLISCHONN; TASSI, 2010). Figura 2.3 Exemplo de uma bacia hidrográfica delimitada sobre um mapa topográfico (COLLISCHONN; TASSI, 2010). 24 2.3 PRECIPITAÇÕES As precipitações compreendem a água proveniente da condensação do vapor de água da atmosfera que é depositada na superfície terrestre na forma de chuva, granizo, orvalho, neblina, neve ou geada. A atmosfera pode ser considerada como um vasto reservatório e um sistema de transporte e distribuição do vapor de água. Todas as transformações aí realizadas têm como principal agente a energia do sol (GARCEZ, 2002). De acordo com Collischonn e Tassi (2010), a principal entrada de água em uma bacia hidrográfica se dá pelas precipitações. A formação das nuvens de chuva está intimamente ligada ao movimento ascendente de massas de ar úmido responsáveis pelos principais tipos de chuva ilustradas na Figura 2.4, sendo: as frontais (ação frontal de massas), as convectivas (convecção térmica) e as orográficas (ação do relevo). Figura 2.4 Tipos de chuva (COLLISCHONN; TASSI, 2010). As chuvas frontais resultam do encontro de duas grandes massas de ar, de diferentes temperatura e umidade. Caracterizam-se pela intensidade baixa e longa duração atingindo grandes extensões. Já as chuvas orográficas ocorrem geralmente em regiões litorâneas com 25 grandes obstáculos do relevo, que impedem a circulação de ventos quentes e úmidos forçando o ar a subir e condensar junto aos picos. As chuvas convectivas ocorrem pelo aquecimento de pequenas massas de ar em contato com as superfícies que sobem para níveis mais altos da atmosfera onde as baixas temperaturas condensam o vapor, formam nuvens que podem ou não resultar em chuvas. Caracterizam-se pela alta intensidade e pela curta duração. No Brasil há uma predominância de chuvas convectivas, principalmente em regiões tropicais. Os problemas de inundação em áreas urbanas estão, muitas vezes, relacionados às chuvas convectivas (COLLISCHONN; TASSI, 2010). A medição das precipitações é expressa relacionando a quantidade de chuva pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfícieplana e impermeável, em milímetros, conhecida como altura pluviométrica ou altura de precipitação. Para sua determinação são utilizados aparelhos chamados pluviômetros ou pluviógrafos, conforme sejam simples receptáculos da água precipitada ou registrem essas alturas no decorrer do tempo respectivamente (PINTO et al., 1976). Figura 2.5 Características de um pluviômetro (COLLISCHONN; TASSI, 2010). Um dos pluviômetros mais utilizado no Brasil tem uma forma cilíndrica com uma área superior de captação da chuva de 400 cm², de modo que um volume de 40 ml de água acumulado no recipiente corresponde a um milímetro de chuva. O pluviômetro deve ser instalado conforme Figura 2.5, e a certa distância de casas, árvores e outros obstáculos que podem interferir na quantidade de chuva captada (COLLISCHONN; TASSI, 2010). 26 2.4 INFILTRAÇÃO Collischonn e Tassi (2010) definem a infiltração como sendo a passagem da água por meio do solo, passando pelos poros por gravidade ou capilaridade e atingindo o interior do solo. Assim as águas provenientes das precipitações que se infiltram no solo formam a fase subterrânea do ciclo hidrológico. A infiltração de água no solo é importante para o crescimento da vegetação, o abastecimento dos aqüíferos, armazenagem de água que mantém o fluxo nos rios durante as estiagens, redução do escoamento superficial, redução das cheias e diminuição da erosão. O solo é composto genericamente de materiais sólidos, líquidos e gasosos. A água que infiltra no solo preenche os poros antes ocupados pelo ar. A Figura 2.6 apresenta a proporção percentual das partes mineral, água, ar e matéria orgânica presentes no solo. Figura 2.6 Composição típica do solo (LEPSCH, 2004 apud COLLISCHONN; TASSI, 2010). Aproximadamente 50% do solo é composto de material sólido, enquanto o restante são poros que podem ser ocupados por água e ar em proporções variáveis e complementares. As características do solo e a forma com que a água se movimenta e é armazenada dependem do tipo de partículas encontradas na sua composição. De acordo com o diâmetro as partículas de 27 um solo são classificadas em ordem crescente como argila, silte, areia fina, areia grossa, e pedregulhos, cascalhos ou seixos. A porosidade de um solo é definida como o volume de vazios dividido pelo volume total do solo. A porosidade de solos arenosos varia entre 37% e 50%, enquanto a porosidade de solos argilosos varia entre, aproximadamente, 43% e 52%. Estes valores de porosidade variam bastante, dependendo do tipo de vegetação, do grau de compactação, da estrutura do solo (combinação arranjada das partículas) e da quantidade de material orgânico e vivo presentes no mesmo (COLLISCHONN; TASSI, 2010). Garcez (2002) diz que o fenômeno da infiltração é definido segundo as características geológicas, do relevo, dos obstáculos oferecidos ao escoamento superficial, e por fim da presença, tipo e porte da vegetação. As fases da infiltração de água no solo são as seguintes: a) Fase de intercâmbio. Ocorre quando a água superficial tende a retornar à atmosfera, seja devido à aspiração capilar provocada pela evaporação, seja devido à transpiração das plantas; b) Fase de descida. A água submetida à gravidade supera a capilaridade e desce até uma camada impermeável; c) Fase de circulação. Com a declividade da camada impermeável e a saturação do solo a água escoa formando os lençóis subterrâneos. As camadas do solo onde ocorrem as fases de intercâmbio e descida são denominadas zonas de aeração. Já as camadas em que se desenvolve a fase de circulação da água é chamada de zona de saturação. 2.4.1 Grandezas características da infiltração As grandezas de maior importância para o estudo da infiltração, segundo Garcez (2002), são: a) Capacidade de infiltração: é o volume máximo de água que um solo, em condições conhecidas, pode absorver por unidade de superfície horizontal, durante um determinado tempo. É expressa em milímetros por hora e caracteriza a infiltração em suas fases de intercâmbio e de descida; b) Distribuição granulométrica: é a distribuição das partículas constituintes do solo em função das dimensões das mesmas. A Tabela 2.2 apresenta esta classificação; 28 Tabela 2.2 Classificação das partículas que compõe o solo de acordo com o diâmetro (COLLISCHONN; TASSI, 2010). Classificação Diâmetro (mm) Argila ≤ 0,002 Silte 0,002 a 0,06 Areia fina 0,06 a 0,2 Areia grossa 0,2 a 2,0 Pedregulhos ≥ 2,0 c) Velocidade de filtração: é a relação da quantidade de água que passa por uma superfície filtrante pela unidade de tempo expresso em metros por segundo; d) Coeficiente de permeabilidade: é a velocidade de filtração em um solo saturado, quando se tem um escoamento com perda de carga unitária a certa temperatura. Este coeficiente estabelece a maior ou menor resistência que cada solo saturado oferece ao escoamento de água em seus interstícios. É expressa em centímetros por segundo. A permeabilidade depende estreitamente da porosidade, granulometria e da forma dos grãos; e) Suprimento específico: é o volume de água máximo que se pode extrair de um solo saturado por meio de drenagem natural, expressa em porcentagem; f) Retenção específica: é o volume de água máximo retido por adesão ou capilaridade no solo, após submissão a processo de drenagem natural, expressa em porcentagem. 2.4.2 Fatores intervenientes da infiltração Garcez (2002) relaciona alguns fatores intervenientes à infiltração conforme abaixo: a) O tipo de solo, observado a porosidade, o tamanho das partículas e o estado de fissuração determinam diretamente a capacidade de infiltração; b) O cultivo, a existência e o tipo de vegetação atuam também como fator determinante da infiltração; c) Presença de substâncias coloidais. Solos de granulometria muito fina têm partículas coloidais que quando úmidas expandem e diminuem a infiltração, e quando seca, surgem fissuras que por sua vez aumentam a infiltração; d) Grau de umidade do solo. Solo seco tem capacidade de infiltração maior que solos com maior umidade; e) Ação de animais que escavam o solo; 29 f) Presença de ar nas camadas inferiores e necessidade de expulsão do mesmo pela água de infiltração; g) Viscosidade da água em função da temperatura. 2.5 EVAPOTRANSPIRAÇÃO A evapotranspiração é o conjunto dos processos de evaporação e transpiração, onde a evaporação é o processo de transferência de água líquida para vapor diretamente de superfícies líquidas, como lagos, rios, reservatórios, poças e gotas de orvalho. Já a transpiração envolve a retirada da água do solo pelas raízes das plantas que a transferem em forma de vapor para a atmosfera por meio dos estômatos das folhas (PINTO et al., 1976). O ar atmosférico é composto de gases entre os quais está o vapor de água. A quantidade de vapor de água que o ar pode conter é limitada, e é denominada concentração de saturação. A concentração de saturação de vapor de água no ar varia de acordo com a temperatura do ar e quando o ar acima de um corpo de água está saturado de vapor, o fluxo de evaporação se encerra. Segundo Pinto et al. (1976), para a evapotranspiração ocorrer é necessário que: a) A água líquida esteja recebendo energia suficiente para evaporar, a energia pode ser recebida por radiação ou por convecção. b) O ar acima da superfície líquida não esteja saturado de vapor de água. 2.5.1 Grandezas características da evapotranspiração Ainda segundo Pinto et al. (1976) para o estudo da evapotranspiração as grandezas de maior importância são: a) Perda por evapotranspiração: é a quantidade de água evaporada por unidade de área horizontal durante certo intervalo de tempo. É comumente medida em alturado líquido que evapotranspirou, expressa em milímetros; b) Intensidade de evapotranspiração: é a velocidade com que se processam as perdas por evapotranspiração, expresso em milímetros por hora. 30 2.5.2 Fatores intervenientes da evapotranspiração Os fatores que intervêm na evapotranspiração podem ser divididos em fatores relativos à atmosfera ambiente denominado de poder evapotranspirante da atmosfera, e à própria superfície evapotranspirante, caracterizando a sua aptidão em alimentar o processo. Os principais fatores condicionantes do poder evapotranspirante da atmosfera são o grau de umidade relativa do ar e o vento, esses e outros são expostos a seguir (GARCEZ, 2002): a) Grau de umidade relativa do ar: é a relação entre a quantidade de vapor de água presente e a quantidade saturada do vapor no mesmo volume de ar, expresso em porcentagem. Quanto maior o grau de umidade menor a evapotranspiração; b) Vento: a ocorrência de ventos aumenta a evapotranspiração por afastar massas de ar de elevado grau de umidade; c) Temperatura: o aumento da temperatura permite maior evapotranspiração por assegurar maior quantidade de vapor de água num mesmo volume de ar, ao se atingir a saturação do ar. Na Tabela 2.3 podemos verificar que para cada elevação de 10ºC na temperatura a pressão do vapor de água de saturação aproximadamente dobra; Tabela 2.3 Pressões de saturação do vapor de água em função da temperatura (GARCEZ, 2002). Temperatura (ºC) Pressão do vapor (atm) Pressão de vapor (mH2O) 0 0,006 0,06 5 0,008 0,08 10 0,012 0,12 15 0,017 0,18 20 0,023 0,25 25 0,032 0,33 30 0,042 0,43 40 0,073 0,76 d) Radiação solar: a energia fornecida pelo sol é a energia motora da evapotranspiração e conseqüentemente do ciclo hidrológico; e) Pressão barométrica: apesar de discreta, quanto maior a altitude maior a evapotranspiração; f) Salinidade da água: a presença de sal reduz a intensidade da evapotranspiração, em números, há uma diminuição de 2% a 3% em relação à água doce; 31 g) Evaporação na superfície do solo: além de fatores citados anteriormente este evento depende também da umidade e natureza do solo; h) Evaporação na superfície da água: é inversamente proporcional à profundidade da massa de água; i) Transpiração: a luz, o calor e uma grande umidade do ar abrem os poros das folhas influenciando a favor da transpiração. Fatores como a umidade do solo, a natureza do solo, o nível do lençol freático, o regime de precipitações e finalmente a espécie da planta, sua idade e porte fecham os fatores intervenientes à transpiração. 2.6 ESCOAMENTO SUPERFICIAL O escoamento superficial é o processo hidrológico mais importante para a engenharia. Trata do volume de águas que por ação da gravidade se desloca na superfície da terra. A origem do escoamento está intimamente ligada às precipitações atmosféricas e é determinante no estudo de dois grandes fenômenos: o regime dos cursos de água e a previsão de cheias (GARCEZ, 2002). Segundo Collischonn e Tassi (2010) o escoamento se inicia a partir de uma precipitação que, caindo sobre um solo saturado ou impermeável, escoa pela superfície, formando sucessivamente as enxurradas ou torrentes, córregos, ribeirões, rios e lagos ou reservatórios de acumulação. A Figura 2.7 ilustra o ciclo de escoamento superficial de áreas altamente impermeabilizadas. Figura 2.7 Ciclo do escoamento superficial em áreas impermeabilizadas (REIS; OLIVEIRA; SALES, 2005). O movimento das águas é determinado, principalmente, pelas linhas de maior declive da área e sofre influência de obstáculos existentes, assim tem-se o movimento de águas livres. De acordo com a descida da água a pontos mais baixos do solo, esta passa a escoar em uma micro rede de drenagem, o fluxo de água aumenta a dimensão desta micro rede resultando em 32 caminhos cada vez mais preferenciais. É dito rede de drenagem ao conjunto dos cursos de água, considerando os pequenos córregos formadores até o rio principal (PINTO et al., 1976). Garcez (2002) afirma que basicamente, as águas das precipitações, desconsiderando a parte evaporada, chegam ao leito do curso de água por quatro vias: escoamento superficial, escoamento hipodérmico, escoamento subterrâneo e precipitação sobre a superfície líquida. Na análise do gráfico da Figura 2.8 se verifica que o escoamento superficial ocorre após um tempo do início da precipitação devido à saturação do solo e à acumulação nas depressões. O escoamento hipodérmico e a precipitação sobre a superfície líquida mostram-se pouco influentes do escoamento total do curso de água sendo normalmente incorporados ao escoamento superficial. Já o escoamento subterrâneo é pouco influenciado pelas precipitações permanecendo praticamente constante, sendo responsável pela alimentação dos cursos de água durante o período de estiagem. Com isso o estudo dos escoamentos se simplifica ao estudo do escoamento superficial. Figura 2.8 Componentes do escoamento dos cursos de água (PINTO et al., 1976). 2.6.1 Grandezas características do escoamento superficial As grandezas de maior importância, segundo Garcez (2002), para o estudo do escoamento superficial estão conceituadas abaixo: a) Coeficiente de deflúvio (run-off ou coeficiente de escoamento superficial): é a relação matemática de uma dada precipitação em um intervalo de tempo, entre a quantidade de água escoada por uma seção e a quantidade total de água precipitada na bacia contribuinte; 33 b) Nível da água: é a altura atingida pela água na seção considerada em relação a um referencial relativo, num dado intervalo de tempo; c) Velocidade: é a relação entre a distância percorrida pela partícula líquida em metros e o tempo de percurso em segundos. Distinguem-se três velocidades: média, superficial e pontual; d) Vazão: é a relação entre o volume escoado em metros cúbicos e o intervalo de tempo em segundos. Também pode ser obtido pelo produto da velocidade média pela área da seção; e) Módulo de deflúvio anual: é o volume total escoado em metros cúbicos no período de um ano; f) Vazão específica: é a relação entre a vazão em litros por segundo e a área da bacia contribuinte em metros quadrados; g) Altura média: é a relação entre o volume total escoado em metros cúbicos num intervalo de tempo e a área da bacia em metros quadrados, expressa em milímetros; h) Declividade da linha de água: é a relação entre a diferença de altura de dois pontos em metros pela distância entre os mesmos em metros, expresso em porcentagem; i) Tempo de concentração: É o intervalo de tempo, a partir do início da precipitação, para que toda a bacia considerada passe a contribuir na seção em estudo; j) Hidrograma: é o gráfico da distribuição da vazão na saída do exutório em função de um dado intervalo de tempo. Das grandezas acima, somente o nível de água, a velocidade, a vazão e a declividade se prestam à medida direta, cabendo aos demais somente uma determinação analítica. 2.6.2 Fatores intervenientes do escoamento superficial Pinto et al. (1976) relacionaram alguns fatores intervenientes que determinam tanto as precipitações quanto o escoamento superficial. A quantidade de água precipitada pode ser influenciada pelos fatores abaixo: a) Pela quantidade de vapor de água na atmosfera resultante da presença de grandes superfícies líquidas expostas à evaporação; e b) Às condições meteorológicas e topográficas que favoreçam a evaporação, tais como temperatura, ventos, pressão e acidentes topográficos. Já o escoamento superficial é influenciado segundo os fatores abaixo relacionados: 34 a) Pela área da bacia de contribuição; b) Pela conformação topográfica da bacia: declividade e existênciade depressões retentoras de água; c) Pelo estado da superfície do solo e pela constituição geológica do subsolo: existência de vegetação, capacidade de infiltração do solo, a natureza e disposição das camadas geológicas, os tipos de rocha presentes no subsolo, e o fator de escoamento das rochas; d) A existência de estruturas de controle para utilização da água a montante: sistemas de irrigação ou drenagem da área, canalização ou retificação dos cursos de água, derivação de água na bacia e a construção de barragens. Os fatores intervenientes, sejam da quantidade de água precipitada ou do escoamento de água, têm influência direta sobre as vazões na bacia hidrográfica. Alguns desses efeitos estão listados abaixo (PINTO et al., 1976): a) A vazão total cresce de montante para jusante proporcionalmente ao crescimento da área urbanizada na bacia hidrográfica; b) Em uma seção, as oscilações das vazões instantâneas são maiores quanto menor é a área da bacia hidrográfica; c) As vazões máximas em uma seção dependerão das precipitações. Para as bacias pequenas as precipitações devem ter grande intensidade e pequena duração, já nas grandes bacias a intensidade pode ser pequena, mas de longa duração; d) Uma área de contribuição dependerá mais das chuvas de alta intensidade quanto maior for a declividade, menores as depressões retentoras de água, mais retilíneo e mais inclinado for o leito do curso de água, menor a quantidade de água infiltrada e menor a área de cobertura vegetal; e) O escoamento superficial é inversamente proporcional à capacidade de infiltração e à interceptação de água pela vegetação, obstáculos e depressões do terreno. Incorpora-se aí principalmente a evapotranspiração quando considerado uma medição num longo intervalo de tempo. 2.6.3 O Hidrograma Uma bacia hidrográfica pode ser entendida como um sistema que transforma precipitações em vazão. Um gráfico que representa a variação da vazão num intervalo de 35 tempo, devido a uma precipitação ocorrida na bacia é o hidrograma, exemplificado na Figura 2.9. A contribuição a esta variação da vazão é devida principalmente a precipitação direta na superfície dando origem ao escoamento superficial (COLLISCHONN; TASSI, 2010). Figura 2.9 Curva de vazão (hidrograma) registrada em uma seção de um curso de água devida a uma precipitação ocorrida na bacia hidrográfica (PINTO et al., 1976). Pinto et al. (1976) fazem uma análise do hidrograma da Figura 2.9 conceituando todas as fases da precipitação e do escoamento deste evento. Entre t0 até ta, fase denominada precipitação inicial, as águas são interceptadas por obstáculos, depressões e/ ou vegetação. Preenchidas as depressões e ultrapassada a capacidade de infiltração do solo, tem início o escoamento superficial. O escoamento superficial aumenta entre os pontos A e B do hidrograma, onde no instante tb atinge valor máximo. A duração da precipitação é menor ou igual ao intervalo t0 até tb. Terminada a precipitação em B, o escoamento superficial prossegue durante certo tempo e a curva de vazão vai decrescendo. Ao período BC chama-se curva de depleção do escoamento superficial. Uma análise semelhante à que ocorre na superfície do solo no período inicial da chuva pode ser feita também para o curso d’água, conforme ilustrado na Figura 2.10. No início da precipitação os níveis da água e do lençol estão respectivamente na posição MO e N. A água infiltrada no solo eleva o nível do lençol freático até atingir o nível máximo em PS. Ao 36 mesmo tempo, em função do escoamento superficial, o nível da água na seção passa de N para R. Figura 2.10 Perfil de um curso de água sob precipitação ocorrida na bacia hidrográfica (PINTO et al., 1976). No hidrograma da Figura 2.9 a linha tracejada AEC representa a vazão correspondente ao lençol de água. Para efeitos práticos, a linha representativa da contribuição da água do lençol subterrâneo ao curso de água é a reta AC. Designa-se curva de depleção do escoamento subterrâneo ao trecho a partir de C, corresponde a diminuição da vazão do curso de água que é alimentado exclusivamente pela água subterrânea. 2.7 DRENAGEM URBANA 2.7.1 Conceitos Segundo Tucci (1993), o estudo dos processos hidrológicos em ambientes urbanizados é chamado de hidrologia urbana, onde a drenagem urbana é o elemento central de controle das águas precipitadas. Em princípio a rede de drenagem é o conjunto de dispositivos que visam remover as águas pluviais em excesso da superfície até o seu retorno aos rios. O resultado é a redução dos efeitos desencadeantes das inundações, diminuindo os riscos a que a população está sujeita e os prejuízos, possibilitando o desenvolvimento urbano de forma harmônica, articulada e sustentável. A drenagem urbana se inicia nas edificações por meio dos coletores pluviais até a sarjeta, onde esta também recebe a parcela superficial do escoamento das ruas, calçadas, pátios e outras áreas impermeáveis ou permeáveis saturadas. As águas da sarjeta são coletadas por bocas de lobo e passam por uma rede de condutores e canais até chegar aos principais sistemas compostos de pequenos rios ou ribeirões compondo o que se conhece atualmente 37 pelos “sistemas clássicos” de drenagem das águas pluviais. Esses sistemas se baseiam nas teorias higienistas que datam do século XIX. O planejamento e a execução da rede de drenagem urbana esta intimamente ligada às características da bacia hidrológica, sendo que o estudo desta deve seguir as etapas descritas na Tabela 2.4. Tabela 2.4 Etapas do estudo das características da bacia hidrológica (adaptado de TUCCI, 1993). Etapas do estudo Determinar as características da bacia Simular o comportamento hidrológico para condições atuais e futuras Identificar as possíveis medidas estruturais e não-estruturais aplicáveis na rede de drenagem Elaborar cenários que quantifiquem os resultados de diferentes atuações Delinear a várzea de inundação Quantificar o custo, benefícios e eficiência da aplicação do plano de drenagem Alguns fatores devem ser considerados para a implantação da rede de drenagem, tais como: a) O desenvolvimento de uma política para o setor que gerencie os objetivos e os meios que serão utilizados para atingi-los; b) Uma lei de uso do solo urbano que estabeleça diretrizes necessárias às ocupações, principalmente a de várzeas de inundação; c) Planejamento que contemple medidas de curto, médio e longo prazo em toda a bacia; d) Criação e veiculação de campanhas de educação e esclarecimento da opinião pública acerca dos problemas relacionados à água em meio urbano, promovendo a participação pública e a aplicação de leis e normas; e) Domínio tecnológico necessário para planejamento, projeto, construção, operação e manutenção das obras; A adoção de planos diretores de drenagem urbana são altamente recomendados e constituem estratégia essencial para obtenção de boas soluções. Estes planos devem possibilitar: a) O estudo da bacia visando soluções de grande alcance, evitando assim medidas de caráter restrito que apenas deslocam e agravam as inundações em outros locais; 38 b) Estabelecimento de parâmetros como o período de retorno, gabarito de pontes e travessias, etc; c) Identificação e elaboração do zoneamento das várzeas de inundação para que possam ser preservadas ou adquiridas pelo poder público antes que sejam ocupadas; d) Conformação da necessidade de implantação de medidas com os recursos disponíveis, privilegiando as de menor custo e maior alcance; e) Interação do plano de drenagem ao plano viário, transporte público, abastecimento de água e outros possibilitando o desenvolvimento urbano harmônico. f) Informação ao público da natureza,magnitude dos problemas e as soluções propostas. 2.7.2 Princípios para elaboração de planos diretores de drenagem Tucci (1993) estabelece alguns princípios essenciais à elaboração de qualquer plano diretor de drenagem urbana que constituem base conceitual para todas as fases do processo. São eles: a) A rede de drenagem é um subsistema integrante de um complexo ambiente urbano e deve estar articulado com os outros subsistemas, possibilitando a melhoria do ambiente urbano; b) As várzeas de inundação são áreas de escoamento e armazenamento naturais conformadas pelo próprio rio. A preservação da mesma é uma das soluções mais baratas para os problemas de inundação; c) Todo problema de drenagem é um problema de alocação de espaço, pois com a eliminação do armazenamento natural por onde a água escoa, este fato deve ser considerado na projeção e execução de canais, galerias, desvios e outras medidas estruturais; d) Quantidade e qualidade da água são variáveis do mesmo problema e devem ser também consideradas na projeção de medidas. 2.8 IMPACTOS DA URBANIZAÇÃO A urbanização é processo resultante do êxodo rural e do desenvolvimento de uma determinada região, mediante disponibilidade de infraestrutura e equipamentos urbanos como 39 redes de água e esgoto. Conforme gráfico da Figura 2.11, atualmente no Brasil mais de 80% da população vive nas cidades. Figura 2.11 Grau de urbanização segundo as grandes regiões do Brasil – 1991/2000 (modificado IBGE, 2010). Contudo a urbanização acarreta alterações no meio ambiente, dentre as quais se pode destacar a impermeabilização das superfícies, que altera o escoamento superficial natural das precipitações, conforme Figura 2.12, dificultando a infiltração da água no solo e levando ao aumento das vazões de pico que podem chegar a ser seis vezes maiores do que em condições naturais. Figura 2.12 Hidrogramas antes e após a urbanização (REIS; OLIVEIRA; SALES, 2005). 40 O fluxograma da Figura 2.13 inter-relaciona os processos desencadeados pela urbanização e a Tabela 2.5 relaciona as causas e efeitos da urbanização sobre uma região. Figura 2.13 Processos que ocorrem numa área urbana (HALL, 1984 apud TUCCI, 1993). Tabela 2.5 Causas e efeitos da urbanização sobre as inundações urbanas (TUCCI, 1993). Causas Efeitos Impermeabilização Maiores picos e vazões Redes de drenagem Maiores picos a jusante Lixo Degradação da qualidade da água Entupimento de bueiros e galerias Redes de esgotos deficientes Degradação da qualidade da água Moléstias de veiculação hídrica Inundações: conseqüências mais sérias Desmatamento e desenvolvimento indisciplinado Maiores picos e volumes; Mais erosão; Assoreamento em canais e galerias; Ocupação das várzeas Maiores prejuízos Maiores picos Maiores custos de utilidades públicas 41 2.9 CHEIAS EM ÁREAS URBANAS As chuvas em áreas urbanas poderiam resultar somente em cheias, que são elevações do nível da água, não representando, necessariamente, uma inundação. Para constituir uma enchente ou inundação, uma cheia deve estar associada a uma ocupação vulnerável e a prejuízos (MILOGRANA, 2009). As precipitações que causam os maiores problemas em áreas urbanas, geralmente têm como características grande intensidade e pequena duração. Esses eventos e a ocupação das áreas sem critério, com deficiência ou até falta de planejamento, quando da ocupação potencializam as deficiências do sistema de drenagem. A concentração da população nessas áreas é um agravante, o que torna a situação dos habitantes precária e perigosa com as chuvas. Os problemas relacionados ao escoamento nas áreas urbanas ainda é potencializado por intervenções no escoamento natural dos cursos d’água por obras mal projetadas, lixo e assoreamento dos mesmos. O resultado é a ocorrência de transbordamentos e empoçamentos ao longo dos cursos d’água, cujos impactos vão desde pequenas perdas materiais, interrupção no tráfego, até a perda de vidas humanas (MILOGRANA, 2009). 2.9.1 Inundações Segundo Milograna (2009), as inundações são resultado da associação de eventos hidrológicos com áreas ocupadas sem critério. A bacia rural caracteriza-se pela maior interceptação vegetal, maiores áreas permeáveis, menor escoamento superficial e drenagem lenta. No caso de uma bacia urbana que possui grandes superfícies impermeáveis há a aceleração no escoamento, por meio da canalização e da drenagem superficial. A ocorrência das precipitações de grande intensidade gera um volume de água que escoa pela superfície até o rio, e muitas vezes, é superior a sua capacidade de drenagem, resultando em inundações das áreas ribeirinhas. Essas inundações trazem problemas cuja intensidade é proporcional à ocupação da várzea pela população, seja para habitação, recreação, uso agrícola, comercial ou industrial. A ocupação das várzeas inundáveis é verificada historicamente quando os rios eram tidos como principal meio de transporte e fonte de abastecimento de água. A população experiente habitava locais altos aonde provavelmente o rio não chegaria. Com o desenvolvimento desordenado as áreas de alto risco de inundações foram habitadas a custo de 42 grandes prejuízos humanos e materiais. Em áreas urbanas estas áreas são em sua maior parte ocupadas por pessoas carentes agravando ainda mais a situação quando da cheia dos rios. Atualmente faz-se necessária uma política para a retirada dos habitantes que ocupam irregularmente as áreas de risco de inundação, uma vez que a ocupação das áreas impróprias pode ser evitada através do planejamento e práticas do uso do solo coerentes, as quais devem estar inseridas no Plano Diretor das Cidades (TUCCI, 1993). 2.9.2 Medidas para controle de inundações O controle das enchentes das áreas inundáveis pode ser realizado por meio de medidas estruturais, que modificam o sistema fluvial evitando os prejuízos decorrentes das inundações, e não-estruturais que propõem melhor convivência do homem com as cheias (TUCCI, 1993). 2.9.2.1 Medidas Estruturais As medidas estruturais são obras de engenharia que reduzem as conseqüências das enchentes podendo ser extensivas ou intensivas. As extensivas agem na bacia, objetivando equilibrar a relação precipitação e vazão, como a manutenção da cobertura vegetal, que reduz e retarda o escoamento superficial prevenindo a erosão da bacia (TUCCI, 1993). As medidas intensivas que, por sua vez, agem nos rios estão assim divididas: a) medidas que aceleram o escoamento: a construção de diques e, cortes de meandro; b) medidas que retardam o escoamento: reservatórios e bacias de amortecimento; c) medidas que desviam o escoamento: canais de desvio. A Tabela 2.6 resume as principais características das medidas estruturais extensivas, e a Tabela 2.7 às principais características das medidas estruturais intensivas. Tabela 2.6 Medidas estruturais extensivas (adaptado SIMONS et al., 1977 apud TUCCI, 1993). Medidas Vantagens Desvantagens Aplicações Ex te n siv a s Cobertura vegetal Redução do pico de cheia Impraticável para grandes áreas Pequenas bacias Controle de erosão Reduz assoreamento Impraticável para grandes áreas Pequenas bacias 43 Tabela 2.7 Medidas estruturais intensivas (adaptado SIMONS et al., 1977 apud TUCCI, 1993). Medidas Vantagens Desvantagens Aplicações In te n siv a s M el ho ria do ca n a l Diques e polders Alto grau de proteção de uma área Danos significativos caso falhe Grandes rios Redução da rugosidade por desobstrução Aumento da vazão com pouco investimento Efeito localizado Pequenos rios Corte de meandro Amplia a área protegida eacelera o escoamento Impacto negativo em rio com fundo aluvionar Áreas de inundação estreita Re se rv a tó rio s Todos os reservatórios de retenção Controle a jusante Localização difícil Bacias intermediárias Reservatórios com comportas Mais eficiente com o mesmo volume Vulnerável a erros humanos Projetos de usos múltiplos M u da n ça de ca n a l Caminho da cheia Amortecimento de volume Depende da topografia Grandes bacias Desvios Reduz vazão do canal principal Depende da topografia Bacias médias e grandes 2.9.2.2 Medidas não-estruturais As medidas não-estruturais são ações simples que têm o objetivo de atenuar a convivência com as enchentes e podem ser agrupadas em: regulamentação do uso da terra, construções à prova de enchentes, seguro de enchente, previsão e alerta de inundação. A regulamentação do uso da terra parte do levantamento das áreas inundáveis, definindo assim zonas onde o uso será compatível com a probabilidade de inundação, ou seja, em áreas de grande risco serão permitidas somente construções adaptadas e de baixa vulnerabilidade às inundações tais como parques e campos de esportes. Esta regulamentação deverá fazer parte do Plano Diretor do Município em questão. As construções à prova de enchentes são edificações projetadas com dispositivos que reduzem as perdas durante a ocorrência das cheias. Já o seguro de enchente permite aos proprietários dos imóveis a obtenção da proteção econômica para as eventuais perdas. A 44 previsão e o alerta formam um sistema composto de aquisição de dados em tempo real que são tratados em um centro de análises para um possível alerta emergencial e também alimentam a criação de planos da Defesa Civil que englobam ações que resultam na proteção da população. 2.10 MEDIDAS COMPENSATÓRIAS NO CONTROLE DAS INUNDAÇÕES O objetivo principal do sistema de drenagem em áreas urbanas ainda é o de drenar com eficiência e rapidez toda a água proveniente do escoamento superficial para fora da bacia em questão. Com isso o sistema de drenagem urbana resume-se a uma rede de dispositivos de coleta e condução das águas pluviais até um ponto fora da bacia hidrográfica. Este sistema, porém, transfere o problema em questão da bacia para uma área a jusante da mesma, podendo mesmo aumentar a intensidade dos impactos das inundações e acarretar outros transtornos. Com essa constatação surgem novos modelos de gestão das águas pluviais, nos quais o tratamento destas é ordenado, gerando um conjunto de práticas denominadas “técnicas compensatórias”, que objetivam compensar os efeitos negativos do escoamento superficial no ambiente e manter as águas pluviais por mais tempo na bacia hidrográfica (BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD et al., 2005 apud MILOGRANA, 2009). Dentre outras vantagens da utilização de medidas compensatórias destacam (NASCIMENTO et al., 1997 e URBONAS E STAHRE, 1993 apud MILOGRANA, 2009): a) A diminuição do risco de inundação e a contribuição para a melhoria da qualidade da água no meio urbano; b) A redução ou eventual eliminação da rede de microdrenagem; c) A minimização das intervenções a jusante de novas áreas loteadas, quando a rede de drenagem pré-existente encontra-se saturada; d) Integração com o urbanismo e possibilidade de valorização da água em meio urbano; e) Recarga de aqüíferos; f) Redução da poluição transportada para os corpos receptores. 45 2.10.1 Classificação das técnicas compensatórias O conjunto de controle de inundações em área urbana abrange as ações tomadas antes, durante e após a cheia. Ou seja, deve-se ter um planejamento com ações ao longo de todo o processo com a utilização das técnicas compensatórias, isoladas ou em conjunto, em todos os níveis operacionais para o controle de inundações. Os princípios que norteiam a utilização de técnicas compensatórias no controle de cheias e inundações são: a retenção da água por mais tempo na bacia hidrográfica com o intuito de regular as vazões, limitar a poluição dos meios naturais e favorecer a infiltração no solo das águas pluviais. As técnicas compensatórias podem ser utilizadas de forma autônoma, ou seja, sem a utilização de uma rede de condutos, ou associadas a uma rede de drenagem clássica. Podem, ainda, ser aplicadas à escala física de uma parcela, a uma área intermediária ou à escala de uma bacia hidrográfica. (CHOCAT, 1997 apud MILOGRANA, 2009). As técnicas compensatórias podem, ainda, ser classificadas conforme a sua área de atuação na bacia hidrográfica como sendo: a) Distribuída ou na fonte – atua sobre lotes, passeios, etc.; b) Na microdrenagem – atua sobre o hidrograma resultante de um ou mais loteamentos; c) Na macrodrenagem – atua sobre os córregos, rios e riachos urbanos. 2.10.2 Atuação das técnicas compensatórias As técnicas compensatórias podem atuar como: elementos de infiltração e percolação; elementos de armazenamento; e aumento na eficiência do escoamento. Os elementos de infiltração e percolação permitem uma maior infiltração e percolação da água no solo propiciando uma redução do escoamento superficial. Por sua vez, os elementos de armazenamento têm como função reter parte do volume de água que compõem o escoamento superficial, reduzindo o pico e distribuindo a vazão no tempo. Já o aumento na eficiência do escoamento utiliza sistemas clássicos de drenagem para drenar as áreas inundadas transferindo as enchentes de uma região para outra. De acordo com Urbonas e Stahre (1993) apud Milograna (2009), os elementos de infiltração e percolação apresentam as seguintes vantagens: 46 a) Recarga dos lençóis freáticos e aqüíferos; b) Preservação e intensificação da vegetação natural; c) Redução da poluição transportada para os elementos receptores; d) Redução dos picos de vazão a jusante; e) Redução das dimensões dos condutos e dos custos da rede de drenagem clássica. As desvantagens apresentadas pelos autores para esses elementos são: a) Os solos podem se tornar impermeáveis com o tempo; b) A confiança na sua operação pode acarretar enormes custos no futuro, quando da ocorrência de uma tormenta, caso esses sistemas comecem a falhar, deixando de exercer a função para a qual foram destinados; c) O nível do lençol freático pode aumentar e causar danos ao subsolo e fundações das construções; d) A colmatação diminui a eficácia do dispositivo; e) Há o risco de contaminação do lençol freático. Os elementos de armazenamento têm como função reter parte do volume do escoamento superficial, reduzindo seu pico e distribuindo a vazão no tempo. Podem ser aplicados para esse caso, reservatórios com tamanho adequado para residências ou no porte de macrodrenagem. 2.10.2.1 Poços de infiltração e injeção Os poços de infiltração são estruturas de forma geralmente cilíndrica escavadas no solo, com profundidade que permita armazenar por certo tempo um volume de água, que simultaneamente infiltra no solo. Estes podem ser revestidos por materiais de contenção e elementos filtrantes conforme Figura 2.14. A água pluvial pode ser introduzida no poço por escoamento superficial direto (modo difuso) ou por meio de rede de drenagem (modo localizado) ficando temporariamente reservada. Já a saída da água efetiva-se de forma lenta pela descarga do volume em solo não saturado (poço de infiltração) ou diretamente no lençol freático (poço de injeção) (BAPTISTA; NASCIMENTO; BARRAUD, 2005 e CHOCAT, 1997 apud MILOGRANA, 2009). 47 Figura 2.14 Poço de infiltração (REIS; OLIVEIRA; SALES, 2005). 2.10.2.2 Valas de detenção e infiltração As valas são depressões rasas e lineares com vegetação superficial, feitas
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