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HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 1 Hidrologia e drenagem urbana HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 2 HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA Conceitos Gerais de Hidrologia De uma forma geral entende–se como Hidrologia a ciência que estuda a água no nosso planeta, destacando as suas ocorrências, formas de circulação, sua distribuição e as propriedades físicas e químicas relacionadas com o meio ambiente. Os estudos hidrológicos são fundamentais para: • Projeções e dimensionamentos de obras hidráulicas; • Avaliação e aproveitamento de recursos hídricos: ✓ hidroelétricas – mais de 90% da energia produzida no país; ✓ abastecimento urbano – 75% da população do Brasil estão em áreas urbanas; ✓ irrigação – escolha dos mananciais e estudos de evaporação e infiltração; ✓ navegabilidade – obtenção de dados e estudos sobre construção e manutenção de canais e rios navegáveis; ✓ drenagem – estudo de precipitações, bacias de contribuição e nível d´água nos cursos d´água. ✓ regularização de cursos d´água – estudo das variações de vazão. • Controle de inundações – previsão de vazões máximas • Controle e previsão de secas ✓ estudos das vazões mínimas HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 3 • Controle de poluição ✓ vazões mínimas de cursos d´água, capacidade de reaeração e velocidade. Breve histórico da hidrologia Identificamos a importância da água na história da humanidade quando constatamos que os povos e as civilizações se desenvolveram às margens de rios e lagos. Fatos marcantes da história da hidrologia, serão listados a seguir: • Existem registros que no Egito Antigo, na época dos faraós, existiram obras de irrigação e drenagem. Também na Mesopotâmia, na região conhecida como Crescente Fértil, entre os rios Tigre e Eufrates, a água já era usada para irrigação; • Os filósofos gregos foram os primeiros a estudar a hidrologia como ciência. Como exemplo podemos mencionar Anaxágoras, que viveu entre 500 e 428 a. C e chegou à conclusão que as chuvas eram importantes na manutenção do equilíbrio hídrico na Terra; • Leonardo da Vinci aprofundou o conhecimento do ciclo hidrológico; • Perrault, no século 17, analisou a relação precipitação-vazão, comparando os dados da precipitação com dados da vazão; • No século 19 se iniciam as medições sistemáticas de vazão e precipitação; • Até a década de 30 prevalece o empirismo, que procura descrever os fenômenos naturais; enquanto até a década de 50 é predominante o uso de indicadores estatísticos dos processos envolvidos; HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 4 • O computador, aliado ao avanço de técnicas estatísticas e cálculos numéricos, proporcionou um grande avanço na hidrologia e modelos de precipitação-vazão foram desenvolvidos colaborando com avanços na hidrologia estocástica. Além disso, o escoamento subterrâneo, a limnologia e a modelação matemática de processos constituem outras técnicas importantes que foram desenvolvidas. Disponibilidade de água doce no planeta De toda a água existente na Terra (1.380.000 km³), 97,3% é água salgada e apenas 2,7% é água doce. A água doce disponível na Terra (37.000 km³) é encontrada em: • Calotas polares (28.564 km³), em forma de gelo, correspondendo a 77,20% água doce disponível na Terra; • águas subterrâneas (8.288 km³), correspondendo a 22,40%; • lagos e pântanos (128 km³), correspondendo a 0,35%; • atmosfera (16 km³), correspondendo a 0,04 %; • rios (4 km³), correspondendo a apenas 0,01%. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 5 Figura 1 – Distribuição de água na Terra de acordo com os continentes Fonte: CARVALHO (2006) A disponibilidade renovável de água doce nos continentes pode ser estimada nas seguintes porcentagens: ÁFRICA: 10,00%; AMÉRICA DO NORTE: 18,00%; AMÉRICA DO SUL: 23,10%; ÁSIA: 31,60%; EUROPA: 7,00%; OCEANIA: 5,30%; ANTÁRTIDA: 5,00%. 77,20% 22,40% 0,35% 0,04% 0,01% Distribuição de água na Terra ÁFRICA AMÉRICA DO NORTE AMÉRICA DO SUL ÁSIA EUROPA HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 6 Figura 2 - A disponibilidade renovável de água doce nos continentes Fonte: CARVALHO (2006) O Brasil é um país privilegiado, pois dispõe de 13,8% de toda água doce do planeta. Hidrologia e suas subáreas: • Hidrometeorologia: trata da água na atmosfera; • Limnologia: estuda os lagos e reservatórios; • Potamologia: estuda os rios; • Oceanografia: estuda os oceanos; • Hidrogeologia: estudas as águas subterrâneas; • Glaciologia: trata da ocorrência de neve/gelo na natureza. Ciclo hidrológico O comportamento natural da água quanto à sua ocorrência, transformações de estado e relações com a vida humana é bem caracterizado por meio do ciclo hidrológico. O ciclo hidrológico é composto de duas fases principais: uma atmosférica e outra terrestre. ÁFRICA 10% AMÉRICA DO NORTE 18% AMÉRICA DO SUL 23% ÁSIA 32% EUROPA 7% OCEANIA 5% ANTÁRTIDA 5% DISPONIBILIDADE DE ÁGUA DOCE HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 7 • armazenamento temporário de água; • transporte; • mudança de estado. O ciclo hidrológico pode ser descrito da seguinte forma: • Inicialmente ocorre a evaporação da água dos oceanos e a decorrente formação do vapor de água; • dependendo das diversas condições ocorre o que é denominado precipitação, este vapor precipita na forma de chuva, neve, granizo etc.; • parte desta precipitação evapora e não chega nem a atingir a superfície terrestre; • a outra parte da precipitação atinge a superfície de lagos e oceanos, onde parte dessa água evapora; • da precipitação que atinge a superfície terrestre ocorre o processo chamado interceptação: onde parte dessa água é interceptada pela cobertura vegetal, e a partir daí uma parte evapora e o restante da água escorre até o solo; • da precipitação que chega ao solo, parte dela se infiltra subsuperficialmente (infiltração), e uma parte desta escoa até corpos d’água próximos, como rios e lagos (escoamento subsuperficial); • uma parte infiltrada percola atingindo os aquíferos (percolação), que escoam lentamente até rios e lagos (escoamento subterrâneo); • ainda quanto à parte da precipitação que atinge o solo, esta vai escoar superficialmente (escoamento superficial), sendo retida em depressões do solo e sofrerá infiltração, evaporação ou será absorvida pela vegetação. O “restante” do escoamento superficial segue para rios, lagos e oceanos, governada pela gravidade; • a vegetação que retém água das depressões do solo e das infiltrações, elimina vapor d’água para a atmosfera (transpiração), através do processo de fotossíntese; HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 8 • a água que alcança os rios seja por escoamento superficial, subsuperficial ou subterrâneo ou precipitação direta, segue para lagos e oceanos, também governada pela gravidade. Figura 3 - Componentes do ciclo hidrológico Fonte: (CARVALHO e DA SILVA; 2006) Fatores que contribuem para a grande variabilidade nas manifestações do ciclo hidrológico: • A energia solar não atinge os diferentes locais na superfície da Terra de maneira uniforme; • O diferente comportamento térmico dos continentes em relação aos oceanos devido à variabilidade espacial de seus solos e as respectivas coberturas vegetais; HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 9 • A quantidade de vapor d´água, CO2 e ozônio na atmosfera (Aquecimentoglobal); • A influência do movimento de rotação e inclinação do eixo terrestre na circulação atmosférica; • O movimento de translação e inclinação do eixo terrestre, que são responsáveis pelas mudanças nas estações do ano. O ciclo hidrológico movimenta enormes quantidades de água no planeta, com ciclos considerados rápidos e outros muito lentos, se comparados entre si. O quadro abaixo ilustra alguns períodos médios de renovação da água nos diferentes “reservatórios”. Tais valores dizem respeito ao tempo necessário para que toda a água contida em cada um dos reservatórios seja renovada – dentro de uma visão bastante simplificada, é claro, da “entrada”, “circulação” e “saída” de água neles. Quadro 1: Período de renovação da água em diferentes reservatórios na Terra. Reservatórios Período médio de renovação Oceanos 2.500 anos Águas subterrâneas 1.400 anos Umidade do solo 1 ano Áreas permanentemente congeladas 9.700 anos Geleiras em montanhas 1.600 anos Solos congelados 10.000 anos Lagos 17 anos Pântanos 5 anos Rios 16 dias Biomassa algumas horas HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 10 Vapor d'água na atmosfera 8 dias Fonte: Adaptado de Shiklomanov (1997) Corroborando as afirmações de da Paz (2004), o homem vem modificando o meio em que vive, de modo a “adequá-lo” às suas necessidades, o que repercute em sensíveis alterações do ciclo hidrológico. Dentre estas modificações podemos citar: • o barramento de rios, que modifica o regime de escoamento, aumenta a evaporação e eleva o nível das águas subterrâneas (lençol freático), além de outras consequências sobre a biota aquática; • a impermeabilização do solo devido à urbanização, o que diminui a parcela de água infiltrada e aumenta o escoamento superficial, causando alagamentos; • o desmatamento, na medida em que diminui a interceptação, deixando os solos expostos à ação das gotas de chuva e do escoamento superficial, que erodem o solo e transportam os nutrientes e sedimentos para rios e lagos. Dinâmica climática Nas últimas décadas as alterações climáticas, sobretudo o aumento da temperatura mundial, têm preocupado não somente cientistas, mas governantes, políticos, organizações não governamentais, ambientalistas e a população em geral. Podemos visualizar na Figura 4 que o perfil vertical da atmosfera terrestre apresenta várias camadas definidas de acordo com a variação da temperatura, a concentração de gases e suas propriedades elétricas. A troposfera é a camada mais próxima da superfície terrestre, na qual a temperatura decresce com a altitude. Nela ocorrem os principais fenômenos meteorológicos (vento, precipitação, furacões etc.). A estratosfera está logo acima da troposfera, e contém a camada de gás ozônio, que absorve a radiação ultravioleta do Sol. Pelo fato de a estratosfera ser muito estável, é nela que os aviões a jato circulam. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 11 A mesosfera é a terceira camada e, em sua parte superior, apresenta ar rarefeito e temperaturas mais baixas que a troposfera e a estratosfera. Acima da mesosfera está a termosfera, uma camada eletrificada na qual há grande concentração de íons e elétrons livres que refletem alguns tipos de ondas de rádio. Acima de todas essas camadas está a exosfera, a camada mais externa da atmosfera, na qual orbitam os satélites artificiais. Figura 4 - Camadas da atmosfera Fonte: MENDONÇA (2007) Elementos e fatores climáticos HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 12 Os elementos do clima e os fatores climáticos ou fatores geográficos do clima condicionam os diferentes tipos de tempo e de clima no mundo. Para entender a distribuição climática mundial e a distribuição climática brasileira, temos de compreender, primeiro, quais são os elementos que compõem o clima, como eles se relacionam entre si (temperatura e umidade, por exemplo) e como são influenciados pelos fatores climáticos. Os elementos climáticos são os atributos físicos que representam as propriedades da atmosfera de um lugar. Os elementos mais importantes são a temperatura, a umidade e a pressão. Latitude O clima de um lugar depende também da latitude, pois ela define a maneira como os raios solares atingem a superfície da Terra. A linha do Equador é o paralelo em que os raios solares incidem de modo menos inclinado. Por isso, o clima tende a ser mais quente nessa região do planeta. Lugares situados em latitudes elevadas recebem os raios solares de maneira mais inclinada. Assim, quanto maior a latitude, maior a inclinação com que os raios solares atingem a superfície da Terra e menos elevadas são as temperaturas. Altitude As diferenças de altitude acarretam mudanças na temperatura e na pressão atmosférica. À medida que a altitude aumenta, a pressão fica menor, pois diminui o peso da coluna de ar acima da superfície. Inversamente, quando a altitude diminui, aumentam a pressão e a densidade atmosférica. Considerando-se dois lugares de mesma latitude e diferentes altitudes, aquele mais elevado apresentará temperaturas mais baixas, obedecendo à proporção de 0,6 °C a menos para cada 100 metros a mais de altitude. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 13 Figura 5 – Efeito da inclinação da Terra na temperatura Fonte: MENDONÇA (2007) Maritimidade e continentalidade Os mares e oceanos têm papel fundamental no clima e, juntamente com os demais fatores, influenciam as variações de temperatura e de umidade. A Maritimidade caracteriza as regiões próximas de grandes massas líquidas (mares e oceanos), determinando a ocorrência de elevada umidade e pequena variação da temperatura. Com a Continentalidade ocorre o oposto: quanto mais distante o lugar estiver do litoral, menor será a umidade e maior será a variação da temperatura. É por causa desse efeito que uma região costeira sofre a influência moderadora do oceano de maneira mais intensa. Já outra região, localizada no interior do continente, sofre maior contraste entre as temperaturas de inverno e verão. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 14 Correntes oceânicas As correntes oceânicas são movimentos horizontais de grandes massas de água. Causadas pela rotação da Terra e pela ação dos ventos constantes, elas interagem com a dinâmica das massas de ar, influenciando o clima e definindo áreas secas e chuvosas. Tal fato ocorre porque as águas frias superficiais dos oceanos e mares levam ao resfriamento do ar, dificultando a formação de nuvens e chuvas. Assim, em regiões costeiras onde prevalecem correntes oceânicas frias há um predomínio de climas com umidade reduzida. Áreas banhadas por correntes quentes apresentam um clima mais úmido devido ao aquecimento e à ascensão do ar e à formação de nuvens e chuvas. No Brasil atuam as correntes das Guianas (ou do Norte do Brasil), Sul Equatorial, do Brasil e das Malvinas (ou das Falklands). A corrente do Brasil é uma corrente quente que flui próxima à costa nordeste na direção sul. A corrente das Malvinas é uma corrente fria que acompanha o litoral Sul e Sudeste do Brasil. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 15 Figura 6 – As correntes marítimas Fonte: MENDONÇA (2007) Massas de ar e frentes As massas de ar são partes da atmosfera com considerável extensão horizontal e com características homogêneas de temperatura,pressão e umidade. Elas deslocam-se carregando aspectos das condições climáticas do local em que se formaram. Ao longo do seu trajeto, as massas de ar alteram as características do tempo atmosférico e sofrem modificações de temperatura e de umidade, resultado da interação com as características da superfície sobre a qual se deslocam. A origem das massas de ar pode ser tropical (massa de ar tropical) ou polar (massa de ar polar). Quando são formadas sobre o oceano as massas de ar são úmidas; quando são formadas sobre o continente as massas de ar quase sempre são secas, excetuando-se as formadas na região equatorial, que também são úmidas. As principais fontes produtoras de massas de ar no mundo são as planícies árticas cobertas de neve da América do Norte, Europa e Ásia; os oceanos subtropicais e tropicais; o deserto do Saara na África; e os interiores continentais da Ásia, Europa e América do Norte. As massas de ar são muito importantes para a compreensão da dinâmica atmosférica, pois têm influência direta sobre os tempos e climas de suas áreas de atuação. Quando duas massas de ar de diferentes temperaturas se encontram, ocorre uma brusca variação nas condições do tempo (temperatura, umidade, vento etc.) na zona de contato entre elas. As faixas de transição entre essas massas de ar são denominadas frentes, que podem ser frias ou quentes. Observe o esquema abaixo: HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 16 Figura 7 – Processo de formação das frentes fria e quente Fonte: MENDONÇA (2007) Tipos de Frente “Frontais” Frente quente: É o deslocamento da massa de ar mais quente para a massa de ar mais fria onde, em um determinado ponto, o ar quente tende a se elevar, ascender ou até mesmo substituir um ar mais frio (conforme o esquema apresentado). O deslocamento ocorre do Equador para os polos. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 17 Figura 8 – Encontro da frente quente com a massa de ar frio Fonte: MENDONÇA (2007) “É de grande importância saber que essa ocorrência, em termos de Hidrologia e Drenagem, influi muito em bacias hidrográficas grandes”. (MENDONÇA, 2007) Frente Fria Figura 9 - Encontro da frente fria com a massa de ar quente Fonte: MENDONÇA (2007) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 18 É o deslocamento de uma massa de ar mais fria para uma massa de ar quente, com penetração em forma de cunha, provocando a ascensão do ar quente. A inclinação é em torno de 1:40 Km a 1:80 Km, com deslocamento de 50 Km/h a 80 Km/h, do Polo Sul para o Equador (SW – NE) HS e no HN (NW – SE). Frente oclusa: no encontro entre duas frentes, ou seja, uma frente fria alcançando uma frente quente, o ar quente entre as frentes é elevado da superfície até ocorrer a oclusão completa (ver esquema abaixo). Existem dois tipos de frente oclusa. Oclusão fria e quente Figura 10 – Frente oclusa Fonte: MENDONÇA (2007) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 19 Depressões Térmicas: A ocorrência deste fenômeno não causa mal tempo generalizado, salvo em condições em que o ar atmosférico esteja muito úmido. No deserto quente, as depressões térmicas provocam ventos convectivos secos e quentes. Nas latitudes médias, as depressões térmicas estão sempre associadas a trovoadas, principalmente no verão. São as causadoras da conhecida chuva de verão ou chuvas convectivas localizadas, com grande intensidade e curta duração. Na região Sudeste do Brasil, mais precisamente no Estado de São Paulo, as chuvas convectivas ocorrem no período vespertino, quando o sentido predominante é de NW para SE. Formação: Estratos: Nuvens em camadas baixas, cinzentas, bastante uniformes, pouco acima do nível de condensação acima de 20 metros de altitude (nuvens baixas) – chuviscos. Cúmulos: Nuvens baixas, isoladas ou esparsas, densas, em forma de torre ou couve- flor, com base escura média (sombra de base). Estratos – Cúmulos: Nuvens baixas, estratificadas, que apresentam revoluções verticais, esbranquiçadas e alongadas. Tem uma espessura irregular na camada superior e prenunciam uma relativa densidade, com possível tendência a gerar chuvisco e garoas. Nimbos – Estratos: Nuvens baixas, com base apresentando horizontalização e sombra relativamente escura, com a tendência de gerar breves precipitações bem localizadas. Elas sempre estão associadas a nuvens Estrato–Cúmulos e são alongadas. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 20 Nimbos: São nuvens densas de altitude em torno de 2,5 Km, localizadas abaixo dos Altos–Estratos, são bem escuras devido à espessura superior e provocam chuvas fortes e trovoadas. São as nuvens de descarga de precipitação das convectivas. Cúmulos–Nimbos: São nuvens situadas logo acima das nuvens Nimbos, que mostram grande espessura vertical, e também podem se localizar na parte intermediária entre os Nimbos e a Bigorna, logo abaixo do nível de congelamento (10 Km). Cirro–Cúmulos: São as nuvens localizadas próximas ao nível de congelamento na altitude em torno de 10 Km a 11 Km, mostram aspecto lácteo, dissociadas em flocos (céu encarneirado) e são carregadas de gelo. Cirro-Stratos: São nuvens altas, componentes do topo da bigorna, nas nuvens espessas, numa altitude entre 10,5 Km a 11,5 km, não ocultam o Sol nem a Lua, e às vezes mostram o halo (reflexão do espectro). Cirros-Fibratus: São nuvens mais altas e prenunciam mudança de tempo (chuvas), são conhecidas popularmente como “rabo de galo”. Depressão de Ar Polar Esse tipo de depressão se desenvolve no ar instável dos polos, ocorrendo principalmente no inverno com duração de um a dois dias, durante os quais trazem chuvas e muita instabilidade. Depressões de Sotavento Sotavento são os deslocamentos de ar que atravessam o relevo (figura abaixo); já os deslocamentos que chegam são chamados de Barlavento. No Nordeste brasileiro, o Barlavento é chamado de “Barravento”. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 21 Figura 11 – Formação do Sotavento Conceito de bacia hidrográfica A expressão “bacia hidrográfica” é usada para denotar a área de captação natural da água de precipitação, que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída chamado de exutório. A bacia é constituída por um conjunto de superfícies vertentes – terreno sobre o qual escoa a água precipitada – e de uma rede de drenagem formada por cursos d’água que confluem até resultar em um leito único no exutório. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 22 Figura 12 – Superfícies vertentes e rede de drenagem que compõem uma bacia hidrográfica Fonte: EPA (1998) A bacia hidrográfica deve ser entendida como um sistema físico aberto, onde a entrada é o volume de água precipitado e a saída o volume escoado pelo exutório. Ressalta- se que nem toda a precipitação (entrada de água) se torna escoamento no exutório (saída) ou fica armazenada na própria bacia. Há perdas intermediárias, relativas aos volumes evaporados, transpirados (pela vegetação) ou infiltrados profundamente. Tais volumes de água representam a parcela da entrada no sistema que é “perdida” para a atmosfera ou para camadas profundas do subsolo. (DA PAZ, 2004) Uma bacia hidrográfica evidencia a hierarquização dos rios, ou seja, a organização natural por ordem de menor volume paraos de maior volume, que vai das partes mais altas para as mais baixas. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 23 Figura 13 – Representação de escoamento das áreas superficiais de uma bacia hidrográfica Fonte: (FRANCISCO, 2017) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 24 Figura 14 – Representação da bacia hidrográfica como um sistema aberto Fonte: DA PAZ (2004) A ideia de bacia hidrográfica está associada à noção da existência de nascentes, divisores de águas e características dos cursos de água, principais e secundários, denominados afluentes e subafluentes. Uma bacia hidrográfica mostra a organização natural por ordem de menor volume para os afluentes de maior volume, que vão das partes mais altas para as mais baixas. A Bacia como Unidade de Planejamento A necessidade de promover a recuperação ambiental e a manutenção de recursos naturais escassos como a água, fez com que, a partir da década de 70, o conceito de bacia hidrográfica passasse a ser difundido e consolidado no mundo. Para enfrentar problemas como poluição, escassez e conflitos pelo uso da água, foi HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 25 preciso reconhecer a bacia hidrográfica como um sistema ecológico, que abrange todos os organismos que funcionam em conjunto numa dada área. Vamos entender como os recursos naturais estão interligados e são dependentes: Exemplos Quando o curso de um rio é alterado para levar esgotos para longe de uma determinada área, acaba por poluir outra região. Da mesma forma, a impermeabilização do solo em uma região provoca o escoamento de águas para outra, que passa a sofrer com enchentes. Figura 15 - Fundão – Ilha do Governador, Rio de Janeiro (RJ) Figura 16 - Enchente – Rio de Janeiro HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 26 Tornou-se necessário, diante de exemplos como esses, reconhecer na dinâmica das águas que os limites geográficos para trabalhar o equilíbrio ecológico têm que ser o da bacia hidrográfica - o espaço territorial determinado e definido pelo escoamento, drenagem e influência da água, do ciclo hidrológico na superfície da Terra - e não aquelas divisões políticas artificiais definidas pela sociedade, como municípios, estados e países, que não comportam a dinâmica da natureza. Desde que o homem passou viver em sociedades organizadas e reconheceu a importância de controlar a disponibilidade de água potável, surgiram as primeiras tentativas da humanidade de modificar o ambiente natural. É interessante frisar que o desenvolvimento de atividades como a agricultura e a urbanização sempre estiveram ligados ao controle da água. Civilizações do antigo Egito, da China, Índia e Mesopotâmia eram chamadas de civilizações hidráulicas, e a ascensão e queda desses povos está intimamente ligada aos usos e abusos da água. O mesmo acontece com a nossa sociedade onde todo desenvolvimento de regiões urbanizadas e rurais é definido de acordo com a disponibilidade das águas doces, ou seja, sua quantidade e qualidade. Portanto, para promover o desenvolvimento sustentável e o intercâmbio entre regiões com interesses comuns, ou entre as que brigam pelo direito de utilizar a água para determinado fim, foi preciso reconhecer e adotar o conceito de bacia hidrográfica como Unidades de Planejamento. No Brasil esse conceito (Bacia Hidrográfica como Unidades de Planejamento), passou a ser desenvolvido em meados dos anos 1970. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 27 O Brasil reúne 8 grandes bacias hidrográficas: Figura 17 – Bacias hidrográficas do Brasil HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 28 Figura 17 – Escoamento das bacias hidrográficas brasileiras Bacias Hidrográficas Brasileiras A distribuição da água no Brasil não é uniforme e as regiões mais populosas e industrializadas apresentam menor disponibilidade de recursos hídricos. Esse é um dos fatores que obriga o país a adotar um sistema nacional de recursos hídricos, com gestão integrada, tendo a BACIA HIDROGRÁFICA como unidade de gerenciamento. Distribuição dos Recursos Hídricos por População em % no Brasil HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 29 Figura 18 – Distribuição de recursos hídricos por região: Norte 68% Nordeste 3% Centro Oeste 16% Sudeste 6% Sul 7% Com o objetivo de respeitar as diversidades sociais, econômicas e ambientais do País, o Conselho Nacional de Recursos Hídricos e a ANA (Agência nacional de águas) – propuseram a definição de 12 principais regiões hidrográficas brasileiras: 0 10 20 30 40 50 60 70 N NE CO SE S População Recursos Hídricos HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 30 A Divisão Hidrográfica Nacional Figura 19 – Divisão hidrográfica por regiões HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 31 Figura 20 - Rede hidrográfica é conjunto formado por um rio principal e por todos os cursos de água tributários (afluentes e subafluentes) Fonte: PAIVA (2004) 1- Amazônica; 2 - Tocantins Araguaia; 3 - São Francisco; 4 - Atlântico NE Ocidental; 5 - Atlântico NE Oriental; 6 – Parnaíba; 7 - Atlântico Leste; 8 - Atlântico SE; 9 – Paraná; 10 – Paraguai; 11 – Uruguai; 12 - Atlântico Sul. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 32 Ordenamento Figura 21 - Elementos topográficos de uma bacia hidrográfica Fonte: PAIVA (2004) O rio modela a paisagem criando formas de relevo variadas ao longo do seu percurso. A erosão provocada pelo rio designa-se por erosão fluvial. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 33 Figura 22 – Ilustração esquemática de um Curso de um determinado Rio. Curso superior do rio – apresenta vales em garganta (V) com declives acentuados. Curso médio do rio – apresenta vales em V aberto. Nesta parte do percurso do rio as águas correm com algum vigor. Curso inferior do rio – o rio corre em áreas mais ou menos planas, de fraco declive. O vale é bastante largo e com reduzida altitude. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 34 Figura 23 – Erosão fluvial Fonte: PAIVA (2004) Fases de erosão – seja ao longo do perfil longitudinal ou ao longo do tempo, podemos distinguir três fases de erosão de um rio: a juventude, a maturidade e a velhice. Fase da juventude – Nesta fase os rios, geralmente, correm entre montanhas. Devido ao maior declive, as águas do rio correm com grande velocidade e a ação erosiva predominante é o desgaste. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 35 Figura 24 – Juventude da erosão Fonte: PAIVA (2004) Fase da maturidade – O declive é menor e as águas do rio perdem parte de sua velocidade. O desgaste dá lugar ao transporte dos aluviões. Quando o caudal é maior, devido a chuvas ou degelo, podem ocorrer cheias e então ocorre a deposição de aluviões nas margens. Figura 24 – Maturidade da erosão Fonte: PAIVA (2004) Fase da velhice – As águas do rio têm uma baixa velocidade devido ao declive quase nulo. A acumulação dos aluviões é elevada. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 36 Figura 25 – Velhice da erosão Fonte: PAIVA (2004)Delimitação da bacia hidrográfica Normalmente, os limites da bacia são estabelecidos analisando a topografia do terreno (relevo) através das curvas de nível (linhas indicativas da altitude do terreno – cotas – em relação a um referencial, como o nível do mar). Seja utilizando mapas impressos ou arquivos eletrônicos, a bacia hidrográfica é delimitada identificando as áreas de maior cota, que constituem os chamados divisores topográficos da bacia. Como o escoamento se dá pela ação da gravidade, e a bacia é definida como o conjunto de áreas que contribuem para um ponto, é fácil perceber que as regiões de terreno mais elevado estabelecem uma divisão entre a parte do terreno cujo escoamento segue até o rio em questão e a parte cujo escoamento segue para outro rio de outra bacia. Também é importante ter em mente o conceito de “bacias dentro de bacias”, o qual é ilustrado pela figura 26. Tendo o ponto A como base, a área contribuinte, a bacia hidrográfica, é a indicada em tal figura. Entretanto, essa bacia está inserida na bacia do ponto B que, por sua vez, está contida na bacia do ponto C. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 37 Assim, conforme a escala em que se trabalhe e, principalmente, o interesse do estudo a ser realizado, serão tomadas as bacias “maiores” ou as sub-bacias e microbacias. Figura 26 – Delimitação da área contribuinte conforme o ponto considerado (A, B ou C, cuja localização é indicada pelas setas). Fonte: PAIVA (2004) Escoamento Superficial Definição É uma das fases do ciclo hidrológico que trata da ocorrência e do transporte da água na superfície terrestre. O escoamento superficial é muito importante para os profissionais que estudam ou trabalham com hidrologia e drenagem urbana, pois a maioria dos estudos hidrológicos está ligada ao aproveitamento da água superficial e à proteção contra fenômenos causados por seu deslocamento. Principais fatores que de alguma forma influenciam o escoamento superficial: HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 38 Climáticos • Intensidade de chuva; • Duração de chuva; • Precipitação antecedente. Fisiográficos • Área da bacia; • Forma da bacia; • Probabilidade; • Condições topográficas; • Capacidade de infiltração. Obras hidráulicas • Barragens Diminuem a velocidade de escoamento superficial. • Retificação de trechos de rios Aumentam a velocidade de escoamento superficial. Tipos de Escoamento na bacia • Escoamento superficial; • Escoamento subsuperficial; • Escoamento subterrâneo. Processos da parte terrestre do ciclo hidrológico HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 39 Figura 27: Ilustração esquemática dos processos terrestres do ciclo hidrológico Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Chuva, infiltração, escoamento superficial Podemos ilustrar, para conhecimento, o processo esquemático de um escoamento superficial ocasionado pela chuva e incorporando as infiltrações. Figura 28. Chuva + escoamento superficial + infiltração Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 40 Escoamentos superficiais e subterrâneos Observamos na ilustração abaixo a caracterização da chuva, infiltração, escoamento superficial, e o escoamento subterrâneo: Figura. 29 - Chuva + infiltração + escoamentos superficiais e subterrâneos Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Escoamento subsuperficial HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 41 Figura 29 – Esquema do escoamento subsuperficial Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Depois da chuva: Escoamento subsuperficial e escoamento subterrâneo Figura 31 – Escoamento após a chuva Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Estiagem: apenas escoamento subterrâneo HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 42 Figura 32 - Estiagem Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Figura 33 - Estiagem Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 43 Estiagem muito longa: é o mesmo que rio seco em locais com rios intermitentes Figura 34 – Estiagem muito longa Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Formação do Escoamento Superficial • Precipitação que atinge áreas impermeáveis; • Precipitação intensa que atinge áreas de capacidade de infiltração limitada; • Precipitação que atinge áreas saturadas. Áreas impermeáveis • Geração de escoamento superficial é quase imediata; • Infiltração é quase nula. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 44 O uso e a consequente alteração do solo urbano promove a impermeabilização das áreas construídas, como telhados, ruas, passeios, residências, estacionamentos, prédios comerciais e industriais, entre outras construções. Figura 35 - Impermeabilização em estacionamentos Áreas de capacidade de infiltração limitadas Podem ser consideradas como áreas de baixa capacidade de infiltração: • Gramados; • Solos compactados; • Solos muito argilosos. Figura 36 - solos HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 45 Capacidade de infiltração A infiltração é o nome dado ao processo pelo qual a água atravessa a superfície do solo. É um processo de grande importância prática, pois afeta diretamente o escoamento superficial, que é o componente do ciclo hidrológico responsável pelos processos de erosão e inundações. Figura 37 – Gráfico da relação entre infiltração e tempo Infiltração e escoamento em áreas de solo saturado Podemos observar nas próximas ilustrações a influência da capacidade de infiltração em solo saturado e com baixa saturação. Esta influência está diretamente proporcional com o escoamento superficial. tempo Infiltração HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 46 Figura 38. Infiltração com solo com baixa saturação Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Figuras 39 e 40 - Infiltração com solo saturado e demonstrativo da água resultante de escoamento Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Geração de Escoamento Acontece quando a intensidade da precipitação é maior do que a capacidade de infiltração do solo. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 47 Figura 41 - Precipitação e capacidade de infiltração do solo Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Na próxima ilustração, poderemos visualizar quando a precipitação atinge áreas saturadas. Figura 42 - Processo de precipitação e áreas saturadas Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R.e das Neves. M. G. F (2009) Hidrograma HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 48 Podemos entender o Hidrograma como a representação gráfica da vazão ao longo do tempo que ilustra o resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico. Na construção de um hidrograma a heterogeneidade da bacia hidrográfica é levada em consideração bem como os caminhos que a água percorre em um determinado tempo nesta bacia. Na Figura 41 a seguir ilustramos os aspectos de um hidrograma para chuvas (precipitações) de curta duração. Figura 43 - Formação de um hidrograma com precipitações de curta duração. Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Formação do Hidrograma Na Figura 42 observamos as fases de um hidrograma: HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 49 Figura 44 - Fases de um hidrograma e escoamentos Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) O conhecimento e a avaliação da forma da bacia são considerados muito importantes para a gestão da drenagem urbana. Nas figuras seguintes demonstramos estas formas: Figura 45 - Ilustração de bacias montanhosas e planas Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 50 Em função das observações já descritas em relação às condições de impermeabilizações e características de áreas urbanas, a figura abaixo demonstra a forma do hidrograma de uma bacia urbana e rural. Figura 46 - Forma do hidrograma de bacias urbanas e rurais Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Forma da bacia x hidrograma Figura 47 - Formas de bacias circulares e alongadas Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 51 Figura 48 - Formas de bacias trapezoidais Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Conteúdo Principais grandezas que caracterizam o escoamento superficial a) Vazão ou descarga; b) Coeficiente de escoamento superficial ou "runoff" da bacia: Relação entre o volume escoado e o volume precipitado na bacia: C = Vescoado / Vprecipitado c) Tempo de concentração da bacia; d) Tempo de recorrência ou período de retorno de vazões; e) Nível d'água: Altura atingida pela água em relação a um nível de referência. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 52 Estimativas de escoamento superficial com base na chuva Para saber como a bacia vai responder à chuva é importante saber as parcelas de água que vão atingir os rios através de cada um dos tipos de escoamento. Métodos simplificados x modelos mais complexos Adotamos como fonte o conteúdo adaptado de Fragoso & das Neves (2009). Podemos observar nas figuras abaixo as representações gráficas de precipitação, infiltração e escoamento. Figura 49 – Infiltração durante a precipitação Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 53 Nesta figura, observamos o comportamento da infiltração durante a precipitação (chuvas). Figuras 50 e 51 - Ilustração do aumento de vazão de um rio, por exemplo, em razão de volumes que não infiltram no deslocamento da massa de água em movimento. Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Figura 51 Como vamos calcular: Usando métodos simplificados: – capacidade de infiltração constante; HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 54 – infiltração proporcional à intensidade de chuva; – método SCS. Figura 52 - Ilustração quando adota-se a infiltração constante Figura 53 - No caso de infiltração proporcional HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 55 Figura 54 - Método SCS, perdas iniciais com redução da infiltração. Como podemos estimar? Um dos métodos mais simples e mais utilizados para estimar o volume de escoamento superficial resultante de um evento de chuva é o método desenvolvido pelo National Resources Conservatoin Center dos EUA (antigo Soil Conservation Service – SCS). O método SCS consiste em duas etapas: (a) separação do escoamento; (b) cálculo do hidrograma. Método do Soil (Conservation Service) • Valores de CN tabelados para diversos tipos e usos do solo; • Utilizado principalmente para projeto em locais sem dados de vazão; • Usar com chuvas de projeto (eventos relativamente simples e de curta duração); Método SCS (Separação do escoamento) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 56 SIaP IaP Q 2 quando IaP Quando: 0Q IaP 5 S Ia 254 25400 CN S Valores de CN: A parcela da chuva que se transforma em escoamento superficial é chamada chuva efetiva. Figura 55 – Chuva efetiva Perdas iniciais = 0,2. S Q = escoamento em mm (Pef) P = chuva acumulada em mm Ia = Perdas iniciais S = parâmetro de armazenamento HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 57 254 25400 CN S CN tabelado de acordo com tipo de solo e características da superfície. 0 < CN < 100 Exemplo: Qual é a lâmina escoada superficialmente durante um evento de chuva de precipitação total P=70 mm, em uma bacia do tipo B e com cobertura de florestas? A bacia tem solos do tipo B e está coberta por florestas. Conforme a tabela anterior o valor do parâmetro CN é 63 para esta combinação. A partir deste valor de CN obtém- se o valor de S: mm 2,149254 25400 CN S A partir do valor de S obtém-se o valor de Ia= 29,8. Como P > Ia, o escoamento superficial é dado por: mm 5,8 )( )( 2 SIaP IaP Q Portanto, a chuva de 70 mm provoca um escoamento de 8,5 mm. Considerando que: Perdas iniciais = 0,2. S E que: 254 25400 CN S HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 58 Tipos de solos do SCS: A – arenosos e profundos; B – menos arenosos ou profundos; C – argilosos; D – muito argilosos e rasos. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 59 Exemplo de Tabela: Tabela 1: Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Valores de CN HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 60 Tabela 2: Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Grupos Hidrológicos de Solos Grupo A Solos arenosos, com baixo teor de argila total (inferior a 8%), sem rochas, sem camada argilosa e nem mesmo densificada até a profundidade de 1,5m. Oteor de húmus é muito baixo, não atingindo 1%. Grupo B Solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de argila total, porém ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas este limite pode subir a 20% graças a maior porosidade. Os dois teores de húmus podem subir, respectivamente, a 1,2% e 1,5%. Não pode haver pedras e nem camadas argilosas até 1,5m, mas é quase sempre presente uma camada mais densificada que a camada superficial. Superfície Solo A Solo B Solo C Solo D Florestas 25 55 70 77 Zonas industriais 81 88 91 93 Zonas comerciais 89 92 94 95 Estacionamentos 98 98 98 98 Telhados 98 98 98 98 Plantações 67 77 83 87 HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 61 Grupo C Solos barrentos, com teor de argila de 20 a 30%, mas sem camadas argilosas impermeáveis ou contendo pedras até a profundidade de 1,2m. No caso de terras roxas, estes dois limites máximos podem ser de 40% e 1,5m. Nota-se, a cerca de 60cm de profundidade, uma camada mais densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condições de impermeabilidade. Grupo D Solos argilosos (30 a 40% de argila total) e com camada densificada a uns 50 cm de profundidade ou solos arenosos como B, mas com uma camada argilosa quase impermeável ou horizonte de seixos rolados. Condições de Umidade do Solo Condição I Solos secos: as chuvas nos últimos 5 dias não ultrapassaram 15mm. Condição II Situação média na época das cheias: as chuvas nos últimos 5 dias totalizaram entre 15mm e 40mm. Condição III Solo úmido (próximo da saturação): as chuvas nos últimos 5 dias foram superiores a 40mm e as condições meteorológicas foram desfavoráveis a altas taxas de evaporação. Os valores de CN apresentados anteriormente referem-se sempre à condição II. Para converter o valor de CN para as condições I e III existem as seguintes expressões: HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 62 IICN IICN IIICN IICN IICN ICN 13,010 23 058,010 2,4 Método SCS para eventos complexos (mais do que um intervalo de tempo com chuva): • Chuva acumulada x escoamento acumulado; • Chuva incremental x escoamento incremental. Exemplo utilizando o Método do SCS: SP SP Q 8,0 2,0 2 Q = escoamento acumulado (mm) P = precipitação acumulada (mm) Equação válida para P > 0,2 S Quando P < 0,2 S; Q = 0 HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 63 Tabela 3 CN = 80 S = 63,7 0,2 S = 12,7 Exemplo SCS Figura 56 Fonte: Adaptado de Fragoso Jr. C.R. e das Neves. M. G. F (2009) Tempo (min) Chuva (mm) Chuva acumulada (mm) Escoamento acumulado (mm) Infiltração acumulada (mm) Escoamento (mm) Infiltração (mm) 10 5.0 5.0 0.0 5.0 0.0 5.0 20 7.0 12.0 0.0 12.0 0.0 7.0 30 9.0 21.0 1.0 20.0 1.0 8.0 40 8.0 29.0 3.3 25.7 2.4 5.6 50 4.0 33.0 4.9 28.1 1.6 2.4 60 2.0 35.0 5.8 29.2 0.9 1.1 HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 64 • Bacia com 30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70 % de área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78). ruralurbanomedio CNCNCN 70,030,0 1,83medioCN Método do Hidrograma triangular SCS (Cálculo do hidrograma) HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 65 Figura 57 - Método do Hidrograma triangular Para vazão de pico (m3/s) por mm de chuva efetiva adotamos a seguinte equação: p p Tt A Q 2 208,0 No tempo de pico em função do tempo de concentração adotamos que: cp TT 6,0 Finalizando o método SCS para hidrograma triangular o tempo de base pode ser calculado pela equação abaixo. pb TT 67,2 HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 66 Além dos métodos descritos nesta aula temos ainda o método racional que poderá ser verificado através dos links disponibilizados. Águas Urbanas O desenvolvimento urbano se acelerou na segunda metade do século XX com grande concentração de população em pequenos espaços, impactando o ecossistema terrestre e aquático, e a própria população através das inundações, doenças e perda de qualidade de vida. Este processo ocorre devido à falta de controle do espaço urbano que produz efeito direto sobre a infraestrutura de água: abastecimento, esgotamento sanitário, águas pluviais (drenagem urbana e inundações ribeirinhas) e resíduos sólidos. Nesta aula serão destacados os principais processos que integram o conjunto da sustentabilidade hídrica urbana e as inter-relações da gestão desta infraestrutura. Desenvolvimento urbano O crescimento urbano ocorrido em países em desenvolvimento tem sido significativo desde a década de 70. Nos países desenvolvidos o crescimento da população estacionou e tende a diminuir já que a taxa de natalidade é inferior a 2,1 filhos por casal, o que mantém a população estável. A recuperação ou a manutenção da população atualmente ocorre apenas através de migração controlada. Nos países em desenvolvimento o crescimento é ainda muito grande e a projeção das Nações Unidas é que a estabilização da população ocorrerá apenas em 2150. A urbanização é um processo que ocorre a nível mundial com diferenças entre os continentes. Na América Latina a urbanização tem crescido significativamente com a transferência da população rural para as cidades. Este crescimento tende, em médio prazo, a estabilizar o crescimento demográfico. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 67 Figura 58 – Favelização Impactos na infraestrutura urbana Os principais problemas relacionados com a infraestrutura e a urbanização nos países em desenvolvimento, com destaque para a América Latina, são: ➢ Grande concentração populacional em pequena área, com deficiência no sistema de transporte, falta de abastecimento e saneamento, ar e água poluídos, além de inundações frequentes. Estas condições ambientais inadequadas reduzem as condições de saúde, de qualidade de vida da população, causa impactos ambientais e são as principais limitações ao desenvolvimento da área; HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 68 ➢ Aumento da periferia das cidades de forma descontrolada pela migração rural em busca de emprego. Estes bairros geralmente estão desprovidos de segurança e da infraestrutura tradicional de água, esgoto, drenagem, transporte e coleta de resíduos sólidos; esses locais são dominados por grupos de delinquentes geralmente ligados ao tráfico de drogas. ➢ A urbanização é espontânea e o planejamento urbano é realizado para a cidade ocupada pela população de renda média e alta. Sem um planejamento do espaço a ocupação ocorre sobre áreas sob risco de inundações e de escorregamento, com frequentes mortes durante o período chuvoso. Grande parte da população vive em algum tipo de favela. Portanto, existe a cidade formal e a informal, e a gestão urbana geralmente atinge somente a primeira. Os problemas da urbanização ocorrem por um ou mais fatores ao longo do tempo e principalmente nas últimas décadas: • A população que migra para as cidades geralmente é de baixa renda e não possui capacidade de investimento e tende a invadiráreas públicas ou comprar áreas precárias da urbanização informal sem infraestrutura. Nestas estão as áreas de risco de inundação ou de deslizamento; • Déficit de emprego, renda baixa e custo de moradia alto; • Legislações equivocadas de controle do espaço urbano; • Incapacidade do município de planejar e antecipar a urbanização e investir no planejamento do espaço seguro e adequado como base do desenvolvimento urbano; • Crise econômica nos países. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 69 Sistemas Hídricos Urbanos Os principais sistemas relacionados com a água no meio ambientem urbano são: • Mananciais de águas; • Abastecimento de água; • Saneamento de efluentes cloacais; • Controle da drenagem urbana; • Controle das inundações ribeirinhas. Os mananciais das águas urbanas são as fontes de água para abastecimento humano, animal e industrial. Estas fontes podem ser superficiais e subterrâneas. Os mananciais superficiais são os rios próximos às comunidades. A disponibilidade de água neste sistema varia sazonalmente ao longo dos anos, e algumas vezes a quantidade de água disponível não é suficiente para atender a demanda sendo, muitas vezes, necessário construir um reservatório para garantir a disponibilidade hídrica para a comunidade ao longo do tempo. Os mananciais subterrâneos são os aquíferos que armazenam água no subsolo e permitem o atendimento da demanda através do bombeamento desta água. O uso da água subterrânea depende da capacidade do aquífero e da demanda. Assim, a água subterrânea é utilizada geralmente para cidades de pequeno e médio porte, pois depende da vazão de bombeamento que o aquífero permite retirar sem comprometer seu balanço de entrada e saída de água. O abastecimento de água envolve a utilização da água disponível no manancial, que é transportada até a estação de tratamento de água (ETA) e depois distribuída à população por uma rede. Este sistema envolve importantes investimentos, geralmente públicos, para garantir a água em quantidade e qualidade adequadas. O saneamento de efluentes de esgoto sanitário é o sistema de coleta dos efluentes (residenciais, comerciais e industriais), e o transporte deste volume o leva para HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 70 tratamento em uma ETE (Estação de Tratamento de Esgoto), para posteriormente despejar a água tratada de volta ao corpo hídrico. A drenagem urbana envolve a rede de coleta de água (e resíduos sólidos), que se origina devido à precipitação sobre as superfícies urbanas, o seu tratamento e o retorno aos rios. O gerenciamento das inundações ribeirinhas trata de evitar que a população seja atingida pelas inundações naturais. Os rios, nos períodos chuvosos, saem do seu leito menor e ocupam o leito maior, dentro de um processo natural. Como isto ocorre de forma irregular ao longo do tempo, a população tende a ocupar o leito maior, ficando sujeita ao impacto das inundações. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 71 Figura 59 – Ciclo de contaminação urbana Fonte: Tucci (2005) Avaliação dos Componentes das Águas Urbanas Mananciais O desenvolvimento urbano tem produzido um ciclo de contaminação, gerado pelos efluentes da população urbana, que são o esgoto doméstico/industrial e o esgoto pluvial. Este processo ocorre devido ao: o Despejo sem tratamento dos esgotos cloacais nos rios, contaminando as águas que possuem capacidade limitada de diluição. Isto ocorre devido à falta de investimentos nos sistemas de esgotamento sanitário e HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 72 estações de tratamento e, mesmo quando tais sistemas existem, apresentam baixa eficiência; o O despejo dos esgotos pluviais, que transportam grande quantidade de poluição orgânica e de metais, que atingem os rios nos períodos chuvosos. Esta é uma das mais importantes fontes de poluições difusa; o Contaminação das águas subterrâneas por despejos industriais e domésticos, através das fossas sépticas, vazamento dos sistemas de esgoto sanitário e pluvial; o Depósitos de resíduos sólidos urbanos, que contaminam as águas superficiais e subterrâneas, funcionando como fonte permanente de contaminação; o Ocupação do solo urbano sem controle do seu impacto sobre o sistema hídrico. Figura 60 – Despejo irregular de lixo HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 73 Figura 61 – Lixo ocupando o rio perto de moradias Aquíferos As principais fontes de contaminação dos aquíferos urbanos são: o Aterros sanitários contaminam as águas subterrâneas pelo processo natural de precipitação e infiltração. Deve-se evitar que sejam construídos aterros sanitários em áreas de recarga e deve-se procurar escolher as áreas com baixa permeabilidade. Os efeitos da contaminação nas águas subterrâneas devem ser examinados durante a escolha do local do aterro; o Grande parte das cidades brasileiras utiliza fossas sépticas como destino final do esgoto. Esse sistema tende a contaminar a parte superior do aquífero. Esta contaminação pode comprometer o abastecimento de água urbana quando existe comunicação entre diferentes camadas dos HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 74 aquíferos através de percolação e de perfuração inadequada dos poços artesianos; o A rede de drenagem pluvial pode contaminar o solo através de perdas de volume no seu transporte e até por entupimento de trechos da rede que pressionam a água contaminada para fora do sistema de condutos. Figura 62 - Representação da poluição em aquíferos urbanos Resíduos Sólidos Os dois tipos principais de resíduos são os sedimentos gerados pela erosão do solo devido ao efeito da precipitação e do sistema de escoamento e os resíduos produzidos pela população. A soma destes dois componentes é chamada de sólidos totais ou Resíduos sólidos. No desenvolvimento urbano são observados alguns estágios distintos da produção de material sólido na drenagem urbana (Tdr), que são os seguintes: (a) estágio de pré-desenvolvimento: a bacia hidrográfica naturalmente produz uma quantidade de sedimentos transportados pelos rios devido às funções naturais do ciclo hidrológicos; HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 75 (b) estágio inicial de desenvolvimento urbano: quando ocorre modificação da cobertura da bacia, pela retirada da sua proteção natural, o solo fica desprotegido e a erosão aumenta no período chuvoso, aumentando também a produção de sedimentos. Exemplos desta situação são: enquanto um loteamento é implementado o solo fica desprotegido; as ruas não possuem pavimento; a erosão ocorre devido ao aumento da velocidade do escoamento à montante por áreas urbanizadas; na construção civil for falta de manejo dos canteiros de obras em áreas onde ocorre grande movimentação de terra. Todo este volume é transportado pelo escoamento superficial até os rios. Nesta fase, existe predominância dos sedimentos e pequena produção de lixo; (c) estágio intermediário: parte da população está estabelecida mas ainda existe importante movimentação de terra devido a novas construções. Em função da população estabelecida existe também uma nova parcela de resíduos sólidos que se soma aos sedimentos; (d) estágio de área desenvolvida: nesta fase praticamente todas as superfícies urbanas estão consolidadas, resultando em uma produçãoresidual de sedimentos em função das áreas não impermeabilizadas e a produção de lixo urbano chega ao seu máximo com a densificação urbana. A produção de resíduos é a soma do total coletado nas residências, indústria e comércio, mais o total coletado das ruas e o que chega na drenagem. TR = Tc + Tl + Tdr onde o TR é o total (em volume ou em peso) produzido pela sociedade e pelo ambiente; Tc é o total coletado, Tl é o total da limpeza urbana; e Tdr é o total que chega à drenagem. Os dois primeiros volumes podem ser reciclados, diminuindo o volume para ser disposto no ambiente. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 76 Na medida em que os sistemas de coleta e limpeza urbana são ineficientes o volume de Tdr aumenta, com consequência para a drenagem e para o meio ambiente. O material sólido urbano não coletado representa subsídio ambiental recebido pela sociedade que polui. O volume de resíduos sólidos que chega à drenagem depende da eficiência dos serviços urbanos e de fatores como: a frequência e a cobertura da coleta de lixo; a frequência da limpeza das ruas; a frequência da reciclagem; a forma de disposição do lixo pela população e a frequência da precipitação. INUNDAÇÕES A inundação ocorre quando as águas dos rios, riachos, galerias pluviais saem do seu leito menor de escoamento devido e escoa através do seu leito maior que foi ocupado pela população para moradia, transporte (ruas, rodovias e passeios), recreação, comércio, indústria, entre outros. As condições meteorológica e hidrológica propiciam a ocorrência de inundação. O conhecimento do comportamento meteorológico de longo prazo é muito pequeno devido ao grande número de fatores envolvidos nos fenômenos meteorológicos e à interdependência dos processos físicos a que a atmosfera terrestre está sujeita. As condições hidrológicas que produzem a inundação podem ser naturais ou artificiais. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 77 Figura 63 – Urbanização sem planejamento Processos de Inundações Ribeirinhas Vamos estudar agora os processos das inundações ribeirinhas. Condições naturais As condições naturais são aquelas cuja ocorrência é propiciada pela bacia em seu estado natural. Algumas dessas condições são: relevo, tipo de precipitação, cobertura vegetal e capacidade de drenagem. Os rios normalmente drenam nas suas cabeceiras, áreas com grande declividade produzindo escoamento de alta velocidade; quando a declividade diminui a capacidade de escoamento também diminui e ocorrem alagamentos no leito maior. A variação de nível durante a enchente pode ser de vários metros em poucas horas. Quando o relevo é acidentado as áreas mais propícias à ocupação são as planas e mais baixas, justamente aquelas que apresentam alto de risco de inundação e são as mais ocupadas pela população. A várzea de inundação de um rio cresce significativamente nos seus cursos médio e baixo, onde a declividade se reduz e aumenta a incidência de áreas planas. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 78 Enxurrada Escoamento superficial concentrado e com alta energia de transporte, que pode ou não estar associado a áreas de domínio dos processos fluviais. Figura 64 - Enxurrada EROSÃO MARGINAL É a remoção e transporte de solo dos taludes marginais dos rios provocados pela ação erosiva das águas no canal de drenagem HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 79 Figura 65 – Erosão marginal SOLAPAMENTO Ruptura de taludes marginais do rio por erosão e ação das águas que gera instabilidade durante ou logo após os processos de enchentes e inundações. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 80 Figura 66 - Solapamento Enchentes devido à urbanização (artificiais) Com o desenvolvimento urbano ocorre a impermeabilização do solo através de telhados, ruas, calçadas e pátios, entre outros. Dessa forma, a parcela da água que infiltrava naturalmente pelo solo passa a escoar pelos condutos, aumentando o escoamento superficial. O volume que escoava lentamente pela superfície do solo e ficava retido pelas plantas passa, com a urbanização, a escoar no canal, exigindo maior capacidade de escoamento das seções. (TUCCI, 2008) A urbanização e o desmatamento produzem um aumento da frequência da inundação nas cheias pequenas e médias. Nas grandes cheias o seu efeito é menor, pois a capacidade de saturação do solo e o armazenamento são atingidos e o efeito final pouco difere. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 81 Inundações localizadas Segundo Tucci (2008), as inundações localizadas podem ser provocadas por: • Estrangulamento da seção do rio devido a aterros e pilares de pontes, estradas, aterros para aproveitamento da área, assoreamento do leito do rio e lixo; • remanso devido à macrodrenagem, rio principal, lago, reservatório ou oceano; • erros de execução em projeto de drenagem de rodovias e avenidas, entre outros. Normalmente, esses problemas disseminam-se nas áreas urbanas à medida que existe pouco controle sobre as diferentes entidades que atuam na infraestrutura urbana. Adutoras, pontes ou rodovias são, frequentemente, projetadas sem se considerar seu impacto sobre a drenagem. Produção de sedimentos urbanos e obstruções Segundo Tucci (2005), as principais consequências ambientais da produção de sedimentos são as seguintes: • Erosão das superfícies gerando fortes áreas degradadas. O aumento da energia e da velocidade do escoamento pode produzir verdadeiros cânions que chegam a 30m de profundidade e 50 m de largura em solos frágeis; • Assoreamento das seções da drenagem, com redução da capacidade de escoamento de condutos, rios e lagos urbanos; • Transporte de poluentes agregados aos sedimentos, que contaminam as águas pluviais. • HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 82 Obstruções ao escoamento A falta de planejamento gera obstruções ao escoamento como aterros e pontes, drenagens inadequadas e obstruções ao escoamento junto a condutos e assoreamento. Alguns dos exemplos de obstrução do escoamento são documentados a seguir: • Produção de resíduo sólido que obstrui o escoamento: O material sólido, além de reduzir a capacidade de escoamento, obstrui as detenções urbanas para o controle local do escoamento. Figura 68 – obstrução de escoamento • Resíduo sólido no sistema de detenção: À medida que a bacia é urbanizada, e a densificação consolidada, a produção de sedimentos pode reduzir, mas outro problema aparece, que é a produção de lixo. O lixo obstrui ainda mais a drenagem e cria condições ambientais ainda piores. Esse problema somente é minimizado com uma adequada frequência da coleta e educação da população, além da aplicação de multas pesadas. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 83 • Problemas de manutenção: Podem ocorrer vários problemas de escoamento em função da falta de limpeza do sistema de drenagem e de projetos inadequados que não consideram o assoreamento em seções muito largas. • Obstrução do escoamento por construções e aumento do risco: O desenvolvimento urbano tende a ocupar a drenagem deixando pouco espaço para o escoamento, trazendo riscopara a própria habitação e para montante. Gestão na Drenagem Urbana O controle atual do escoamento na drenagem urbana tem sido realizado de forma equivocada com sensíveis prejuízos para a população. A origem dos impactos é devida, principalmente, a dois tipos de erros: · Princípio dos projetos de drenagem: A drenagem urbana tem sido desenvolvida com base em um princípio equivocado: “A melhor drenagem é a que retira a água pluvial excedente o mais rápido possível do seu local de origem“; · Avaliação e controle por trechos: Na microdrenagem os projetos aumentam a vazão e transferem todo o seu volume para a jusante. Na macrodrenagem são construídos canais para evitar a inundação em cada trecho crítico. Este tipo de solução segue a visão particular de um trecho da bacia, sem que as consequências sejam previstas para o restante da mesma ou dentro de diferentes horizontes de ocupação urbana. A canalização dos pontos críticos acaba apenas transferindo a inundação de um lugar para outro na bacia. A combinação destes dois tipos de gestão tem os seguintes impactos na macrodrenagem das cidades, que podem ocorrer na seguinte sequência: HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 84 Estágio 1 A bacia começa a ser urbanizada de forma distribuída, com maior densificação a jusante. Com a impermeabilização e o uso de condutos, nos locais de seção pequena ou mudança de declividade ocorrem inundações. Neste momento a bacia está parcialmente urbanizada (geralmente ocorre de montante para jusante). Estágio 2 As primeiras canalizações são executadas a jusante, com base na urbanização atual, fazendo com que o hidrograma à jusante do trecho canalizado aumenta. Estágio 3 Com a urbanização se expandindo para o montante juntamente com a canalização, o aumento das vazões máximas e dos volumes é significativo, retornando as inundações nos trechos anteriormente canalizados e reiniciando uma nova rodada de aumento de seções. A canalização simplesmente transfere a inundação para jusante. HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 85 Figura 69 - Estágio do desenvolvimento da drenagem Observação: O principal conceito é que não se deve ter uma solução pré-concebida, mas buscar uma solução combinada, com a meta fundamental que nenhum novo projeto transfira o impacto na bacia. Tipos de Medidas de Controle As medidas de controle do escoamento podem ser classificadas, de acordo com sua ação na bacia hidrográfica, em: · Distribuída ou na fonte: é o tipo de controle que atua sobre o lote, praças e passeios; HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 86 · Na microdrenagem: é o controle que age sobre o hidrograma resultante de um ou mais loteamentos; · Na macrodrenagem: é o controle sobre os principais riachos urbanos. As medidas de controle podem ser organizadas, de acordo com a sua ação sobre o hidrograma em cada uma das partes das bacias mencionadas acima, em: Infiltração e percolação: este tipo de solução encaminha o escoamento para áreas de infiltração e percolação no solo, utilizando o armazenamento e o fluxo subterrâneo para retardar o escoamento superficial. Este tipo de solução busca recuperar as funções hidrológicas naturais da área. A infiltração não deve ser utilizada em áreas onde a contaminação da água pluvial é alta ou o lençol freático é muito alto; Armazenamento: através de reservatórios que podem ocupar espaços abertos ou fechados. O efeito do reservatório é o de reter parte do volume do escoamento superficial, reduzindo o seu pico e distribuindo a vazão no tempo; Aumento da eficiência do escoamento: através de condutos e canais, drenando áreas inundadas. Esse tipo de solução tende a transferir enchentes de uma área para outra, mas pode ser benéfico quando utilizado em conjunto com reservatórios de detenção; Diques e estações de bombeamento: solução tradicional de controle localizado de enchentes em áreas urbanas que não possuam espaço para amortecimento da inundação. Fases da Gestão Para buscar uma solução ambientalmente sustentável é necessário o gerenciamento integrado da infraestrutura urbana, iniciando-se pela definição da ocupação do espaço com preservação das funções naturais como a infiltração e a rede natural de HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 87 escoamento. Este tipo de desenvolvimento é conhecido em várias agências de países desenvolvidos como LID (Low Impact development) nos Estados Unidos (U.S. Department of Housing and Urban Development, 2003 e NAHB Research Center, 2004 e U.S. Environmental Protection Agency, 2000) ou Water Sensitive Urban Design (WSUD) na Austrália. No quadro a seguir demonstramos os estágios do desenvolvimento sustentável urbano nos países desenvolvidos. Quadro 2: Estágios do desenvolvimento sustentável urbano nos países desenvolvidos. Anos Período Características Até 1970 Higienista Abastecimento de água sem tratamento de esgoto, transferência para jusante do escoamento pluvial por canalização. 1970- 1990 Corretivo Tratamento de esgoto, amortecimento quantitativo da drenagem e controle do impacto existente da qualidade da água pluvial. Envolve principalmente a atuação sobre os impactos. 1990* - ? Sustentável Planejamento da ocupação do espaço urbano, HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 88 obedecendo aos mecanismos naturais de escoamento; Controle dos micropoluentes, da poluição difusa e o desenvolvimento sustentável do escoamento pluvial através da recuperação da infiltração. Adaptado de Tucci (2005) Visão Integrada no Ambiente Urbano Para desenvolver a gestão integrada é necessário conhecer a interfaces entre os sistemas. No quadro anterior são caracterizadas as principais relações entre os sistemas de infraestrutura no ambiente urbano relacionado com a água. O desenvolvimento urbano representado pela ocupação do uso do solo é a fonte dos problemas, como destacado anteriormente. A seguir, são discutidas as interações geradas entre os sistemas hídricos nas áreas urbanas em função de uma gestão deficiente e desintegrada: Abastecimento urbano As principais interfaces com os outros sistemas são: (a) os esgotos sanitário e pluvial contaminam os mananciais superficiais e subterrâneos; HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 89 (b) depósito de resíduos sólidos como aterros que podem contaminar as áreas de mananciais; (c) inundações podem deixar sem funcionamento o sistema de abastecimento e destruir a infraestrutura das redes pluvial e sanitária, além da Estação de Tratamento de Esgoto. Esgoto sanitário e drenagem urbana As principais inter-relações são: (a) quando o sistema é misto o sistema de transporte é o mesmo, com comportamento diverso nos períodos sem e com chuva. A gestão deve ser integrada; (b) quando os sistemas é separador existem interferências de gestão e construtivas devido à ligação do esgoto sanitário à rede de drenagem e águas pluviais no sistema de esgoto produzindo ineficiências de funcionamento. Drenagem Urbana, Resíduo sólido e esgotamento sanitário (a) na medida que o sistema de coleta e limpeza dos resíduos é ineficiente, ocorre um grande prejuízo para o sistema de escoamento pluvial devido à obstrução dos condutos, canais e riachos urbanos; (b) a erosão urbana modifica o sistema de drenagem e pode destruir
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