artigo37
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1Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS, Caixa Postal 15029, CEP 91501-970, Porto Alegre, RS
ESTUDO DE UM RESERVATÓRIO DE DETENÇÃO ATRAVÉS DE MODELAGEM
HIDRODINÂMICA
Marllus Gustavo F. P. das Neves, Rutinéia Tassi e Adolfo O. N. Villanueva1
Resumo – Os reservatórios de detenção apresentam-se hoje como uma alternativa inserida em uma
nova maneira de tratar a drenagem urbana, tentando diminuir o impacto causado pelo aumento da
impermeabilização. No entanto, antes da adoção desta alternativa, é necessário um completo
entendimento do comportamento hidráulico da mesma, e o impacto que a implantação causará em toda
sua área de influência. Em Porto Alegre, a implantação da bacia de detenção da avenida Polônia vem
provocando alagamentos freqüentes nas ruas em que é responsável pela drenagem. Este artigo procura
identificar onde estão os pontos críticos no funcionamento da rede de drenagem, e analisar uma
alternativa para solucionar este problema. Foi utilizado um modelo hidrodinâmico. Os resultados
mostraram a identificação dos pontos críticos na rede de drenagem para chuvas mais freqüentes e o
desempenho da solução proposta.
Abstract – Detention reservoirs appear nowadays as an alternative in the new approach to the urban
drainage, trying to reduce the impact caused by the increase in impermeabilization. However, it is
necessary before the adoption of this alternative, a complete understanding of the hydraulic behavior of
the reservoirs, and the impact this implantation will cause in its area of influence. In Porto Alegre, the
implantation of the detention basin in the Polônia avenue is causing frequent floodings in the
sourrounding streets where it is responsible for the drainage. This study tries to identify where are the
critical points in the work of the drainage network and to analyze an alternative to solve the problems.
A hydrodynamic model was used. The results showed the identification of the critical points in the
drainage network for more frequent rains and the performance of the proposed solution.
Palavras-Chave – hidrologia urbana, reservatório de detenção, modelo hidrodinâmico
INTRODUÇÃO
Nos centros urbanos em processo de expansão, os sistemas de macro-drenagem vão se tornando
insuficientes à medida em que a ocupação, e portanto a impermeabilização das bacias aumenta. Isto
pode aumentar a freqüência de enchentes a jusante e aumentar a área da planície de inundação. Como
resultado do aumento da área impermeável e densidade de drenagem, os canais urbanos recebem
maiores taxas de vazão de pico em menor tempo que os córregos naturais.
Surge então a necessidade de ampliação do sistema de drenagem, que é muitas vezes inviável,
porque gera grandes transtornos no entorno da obra, como relocação de cabos telefônicos, adutoras de
água, interrupções no tráfego, e pode resultar em obras de alto custo. Além de todos esses
inconvenientes, não representa uma alternativa muito eficaz, visto que transfere para jusante o
problema.
Uma das alternativas possível é a utilização de uma medida de controle estrutural como
reservatórios de detenção (ou bacias de detenção). Estes reservatórios têm como objetivo amortecer os
picos de enchentes e retardar o escoamento, propiciando um aumento no tempo de concentração,
aliviando o funcionamento da rede de drenagem. Podem ter disposição e forma variada, de acordo com
as características da bacia onde será implantado. O reservatório possui uma área de contribuição
significativa, caracterizando um sistema de contenção a jusante (Urbonas e Staher ,1993).
Para o projeto e implantação, devem ser analisadas as características físicas, o tipo de ocupação,
as condições sócio-econômicas da bacia, para que possa ser escolhido o tipo e o local de detenção.
Também deve ser analisada a relação custo benefício de cada solução proposta de forma a ter um
sistema otimizado.
Além desses fatores, um completo estudo sobre o impacto causado pela implantação da bacia de
detenção deve ser realizado. Essa etapa é necessária para que sejam identificadas todos os possíveis
efeitos que o sistema então implantado pudesse trazer à região. Algumas vezes, resolve-se o problema
para o qual foi proposto, mas se gera outros inconvenientes. Um exemplo disto seria a colocação de um
reservatório numa região plana que recebe água de outras regiões íngremes a montante. Apesar de
resolver os problemas a jusante, a bacia de detenção pode afogar a rede afluente, através de remanso,
gerando também escoamento sob pressão nesta. Um caso semelhante a este foi objeto de estudo deste
trabalho. Trata-se de um caso real, pois a bacia de detenção já está construída e em funcionamento.
REGIÃO ESTUDADA
Porto Alegre possui um sistema de proteção contra enchentes. Este sistema prevê que as regiões
que estão acima da cota 9,00 m devem ser drenadas por gravidade até o lago Guaíba (Rauber, 1992). A
região em estudo é parte deste sistema e também está localizada na bacia Almirante Tamandaré.
Em 1997, a construção de um conduto foçado na Av. Polônia foi estudada, tendo este uma
extensão de aproximadamente 1900 m. A concepção original do projeto, era formada por uma galeria
com duas células: uma com 1,30 x 1,25m e outra com 2,05x1,25 m e com a função de drenar a bacia
contribuinte acima da confluência da Av. Polônia com a Av. Benjamin Constant (PROJETO, 1997).
Após uma análise posterior, do qual não se dispõe de informações, chegou-se à conclusão que não seria
necessária a construção de uma das células do Conduto Forçado, caso fosse implantada uma Bacia de
Detenção na porção de montante do mesmo.
A bacia de detenção funciona como uma praça, com quadra de esportes, e a chegada da drenagem
até a mesma é feita através de uma abertura superior no conduto que passa sob a mesma.
A figura 1 mostra a bacia de contribuição, localização da rede de drenagem, incluindo o Conduto
Forçado e a Bacia de Detenção. A bacia de contribuição do conduto forçado, destacada na figura 1, tem
uma área de aproximadamente 0,55 Km2 e encontra-se densamente abitada, com uma densidade
populacional de 49,25 hab/ha; a previsão é que no futuro haja aproximadamente 175 hab/ha morando
nessa região (PLANO, 2000).
Na figura 2 estão algumas fotos do reservatório, tiradas no sentido reservatório-lago Guaíba,.
Este serve de área de recreação quando não há enchentes. Nas fotos c, e e f, podem ser vistas aberturas
do Conduto Forçado, que trabalham no enchimento da bacia quando o escoamento ocorre sob pressão.
Após a implantação da bacia de detenção surgiram reclamações, principalmente dos moradores
da Av. Benjamin Constant, que a água estaria ficando armazenada nas ruas e que as bocas-de-lobo
estariam devolvendo água, ao invés de captá-la.
Este estudo procurou fazer uma avaliação qualitativa da atual configuração da rede de drenagem
existente, e propor uma alternativa que viesse minimizar os problemas anteriormente citados. Para que
isto seja possível, é necessário dispor de ferramentas que possam representar fenômenos como
influência de jusante e o escoamento sob pressão. Neste estudo, esta influência ocorre no Conduto
Forçado devido ao lago Guaíba e na rede da bacia contribuinte, nas imediações da Av. Benjamin
Constant, devido ao reservatório de detenção.
Figura 1. Região estudada
SITUAÇÕES ESTUDADAS
Os dois casos avaliados neste estudo foram:
• Situação da rede existente: a rede de drenagem que atualmente compõe o sistema, ou seja, um
único conduto que chega à bacia de detenção e que recebe toda a rede da avenida Benjamin Constant.
• Alternativa proposta: nesta alternativa faz-se com que parte da drenagem que entra no Conduto
Forçado, através da Av. Benjamin Constant, seja desviada para o reservatório diretamente. Dessa forma
a medida aliviaria o Conduto Forçado, reduzindo as cargas existentes no mesmo.
Para a avaliação destas duas alternativas, foram utilizados dois cenários de ocupação da bacia.
Um que retrata as atuais condições de ocupação, e outro, para as condições de ocupação previstas o
Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano de Porto Alegre de 1994. Os alagamentos têm ocorrido
freqüentemente, de modo que a análise se concentrou nas chuvas com o tempo de retorno de 2 anos.
Foram tomados hidrogramas de projeto, gerados na bacia contribuinte. Estes hidrogramas são
condições de contorno externas de montante e lateral, no modelo utilizado. A transformação chuva-
vazão foi realizada com o modelo IPHS1 (Tucci.et al., 1989), e o algoritmo de infiltração utilizado foi
o SCS. O valor do CN (curva número do método SCS) foi obtido através de uma relação entre
Densidade, em hab/ha, e Área impermeável, em porcentagem (Tucci, 1993). Os hidrogramas
resultantes refletem duas situações de ocupação da bacia contribuinte: a ocupação atual e a ocupação
futura, também denominada neste artigo como pddu.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figura 2. Fotos do reservatório de detenção
MODELO UTILIZADO
Utilizou-se um modelo hidrodinâmico que vem sendo desenvolvido no IPH (Villanueva, 1990;
Ramseyer, 1996; Neves, 2000), para representar as condições de escoamento numa rede de drenagem
de águas pluviais. O modelo foi montado sob o princípio de que, a qualquer momento, a maior parte do
fluxo pode ser representada pelas equações de Saint Venant. Para o fluxo livre subcrítico, elas são
utilizadas na forma completa. Com fluxo sob pressão, as equações são adaptadas utilizando a fenda de
Preissmann. Para o fluxo supercrítico, adota-se a simplificação do modelo de difusão. Esta decisão é
tomada automaticamente. Os casos especiais são tratados como condição de contorno interna (degraus,
poços de visita, reservatórios, etc.) com equações específicas. O modelo é capaz de simular remansos e
inversão de escoamento, além do escoamento sob pressão, inclusive devido a estrangulamentos de
seção transversal a jusante de uma seção qualquer. A discretização é realizada através do esquema
implícito de diferenças finitas de quatro pontos de Preissmann. O modelo trata a rede como um
conjunto de trechos e nós; em um nó, confluem dois ou mais trechos e um trecho une dois nós.
O modelo informa, em cada trecho, a vazão máxima, em que seção ocorreu, se houve carga ou
não correspondente e o intervalo de tempo em que ocorreu esta vazão. Da mesma forma, a carga
máxima, em que seção ocorreu, a vazão correspondente e o intervalo de tempo em que ocorreu esta
carga. O modelo fornece também como resultado as cargas máximas nos nós. Outra informação é a
quantidade de água que não entra na rede. Dependendo da capacidade de condução dos condutos que
saem de um determinado nó extremo de montante, parte das condições de contorno externas podem se
tornar vazão excedente. Esta vazão teria as ruas para seu escoamento natural. O excedente de vazão em
um conduto também pode aparecer lateralmente, quando parte da condição de contorno externa lateral
não entra no conduto.
Com esta ferramenta, foi possível avaliar as condições de inundação na região estudada,
identificando os trechos onde ocorrem problemas. Para o tempo de retorno de 2 anos, identificaram-se
os pontos de alagamentos, apontando para soluções.
AVALIÇÃO DA REDE DE DRENAGEM EXISTENTE
A rede existente atualmente corresponde à figura 1 e a topologia utilizada para representar a rede
no modelo encontra-se na figura 3. A tabela 1 faz a correspondência entre os nós, trechos e locais na
região.
Os hidrogramas que chegam e saem do reservatório estão na figura 4. Nesta figura, PDDU
corresponde à situação de ocupação futura e procura simular o que ocorreria se nenhuma medida fosse
tomada para resolver os problemas, mesmo sabendo que haveria crescimento populacional na região,
com o aumento da urbanização e do escoamento superficial. A vazão máxima de chegada ao
reservatório para a situação de ocupação atual é de 2,48 m3/s, enquanto que a mesma é de 4,09 m3/s
para a ocupação futura.
Tabela 1. Locais correspondentes à topologia utilizada na figura xx
Trecho Local correspondente Nó Local correspondente
1Rua Marcelo Gama, entre as ruas
Américo Vespúcio e Coronel Manoel1 Início do trecho 1
2
Rua Marcelo Gama, entre a rua
Coronel Manoel e a av. Benjamin
Constant
2Poço de visita na transição entre o fim
do trecho 1 e início do trecho 2
3Rede da rua Barão de Cotegipe, até a
rede da rua Marcelo Gama3 Início do trecho 3
4
Rua Marcelo Gama, até a av.
Benjamin Constant. Drena a água
proveniente do trecho 3 acima.
4Poço de visita na confluência entre as
redes dos trechos 2, 3 e 4.
5 Rede paralela ao trecho 2 acima 5 Início do trecho 5
6
Av. Benjamin Constant, entre as ruas
Felicíssimo de Azevedo e Marcelo
Gama
6 Início do trecho 6
7
Conduto Forçado na av. Benjamin
Constant, entre as ruas Marcelo Gama
e Zamenhoff
7Poço de visita na confluência entre as
redes dos trechos 4, 5, 6 e 7
8Conduto Forçado na av. Polônia, antes
do reservatório8
Poço de visita na transição entre o fim
do trecho 7 e início do trecho 8
9Conduto Forçado na av. Polônia, do
reservatório ao Guaíba.9 Reservatório de detenção
10 Chegada ao lago Guaíba
Figura 3. Topologia utilizada para representar a rede no modelo
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tempo (minutos)
Vaz
ão (
m3/
s)
Vazão afluente ao reservatório para Tr = 02 anos - atual
Vazão que sai do reservatório para Tr = 02 anos - atual
Vazão afluente ao reservatório para Tr = 02 anos - pddu
Vazão que sai do reservatório para Tr = 02 anos - pddu
Figura 4. Hidrogramas de chegada e saída do reservatório para a rede existente
O amortecimento para a ocupação futura é bem maior que da ocupação atual; 33,0% na primeira
e 11,6% na segunda. Contudo, há afogamento na rede. A simulação detectou alagamentos nos pontos
ilustrados na figura 5. Nesta figura, pode ser visto que a Av. Benjamin Constant alaga no início do
trecho 6, no trecho 7 e na entrada do trecho 8.
Condutos
Figura 5. Pontos com alagamento na rede existente atualmente
Na figura 4, o hidrograma de entrada no reservatório correspondente à ocupação futura (pddu)
apresenta um aumento de vazões, aproximadamente aos 72 min. Isto se deve a que o reservatório
começa a esvaziar. Com isso, a água que estava represada nos condutos começa a ser liberada. Na
figura 6, há perfis de linha d’água para 72 e 73 min. Para a ocupação atual não há diferença
significativa na linha d’água, enquanto que, para a situação de ocupação futura, a linha d’água cai de
modo que o reservatório seca. A localização deste está também identificada na figura 3. Ela
corresponde ao nó 9.
A figura 7 mostra que os trechos 6, 7 e 8 funcionam sob pressão no momento do pico do
hidrograma de chegada no reservatório, para ocupação futura (figura 4). Com isto, a vazão lateral no
trecho 7 não consegue entrar, alagando o mesmo.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Distância (m)
Cot
a (m
)
Fundo Topo 72 min pddu
73 min pddu 72 min atual 73 min atual
Reservatório
Figura 6. Linha d’água em 72 e 73 min, relativos aos hidrogramas da figura 4, nos trechos 7, 8 e 9
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Distância (m)
Cot
a (m
)
fundo Topo 32 min pddu
Figura 7. Linha d’água no pico de chegada ao reservatório para a ocupação futura, nos trechos 6, 7 e 8
A figura 8 mostra a vazão lateral excedente, para os trechos 1 e 7, confirmando, portanto, os
alagamentos ocorridos no trecho 7. Já a figura 9 mostra o excedente de montante do trecho 6,
responsável pelo alagamento no nó 6.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00
Tempo (min)
Vaz
ão (
m3 /s
)
trecho 1 trecho 7
Figura 8. Excedente lateral dos trechos 1 e 7 para a ocupação futura
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Tempo (min)
Vaz
ão (
m3 /s
)
Vazão que não entra no trecho 6
Figura 9. Excedente de montante do trecho 6 para a ocupação futura
ALTERNATIVA PROPOSTA
Na alternativa proposta neste estudo, as áreas contribuintes dos trechos 6 e 7, destacadas na figura
10, seriam drenadas não mais através da Av. Benjamin Constant, mas para o reservatório diretamente,
como mostra a figura 11. Nesta figura, encontra-se a topologia correspondente à nova configuração
proposta. O nó 10 agora representa o reservatório, o trecho 9 recebe a água que anteriormente era
transportada para o trecho 7 e o trecho 6 é desviado para o nó 10. A tabela 2 contém as
correspondências de todos os trechos e nós.
Figura 10. Áreas drenadas pelos trechos 6 e 7, atualmente
Tabela 2. Locais correspondentes à topologia utilizada na figura xx
Trecho Local correspondente Nó Local correspondente
6
Av. Benjamin Constant, entre as ruas
Felicíssimo de Azevedo e o
reservatório
6 Início do trecho 6
9Drena região que antes contribuia para
o trecho 7 pela rua Zamenhoff9 Início do trecho 9
10Conduto Forçado, correspondente ao
trecho 9 da tabela xx10 Reservatório de detenção
11 Chegada ao lago Guaíba
Figura 11. Topologia utilizada para representar a alternativa proposta
Os hidrogramas que chegam e saem do reservatório estão na figura 12. A ocupação futura desta
vez simula o que ocorreria se fosse adotada esta alternativa, ou seja, drenar parte da água que entraria
no conduto forçado, na Av. Benjamin Constant, trecho 7 das figuras 3 e 11, diretamente para o
reservatório, bem como fazer o mesmo para o trecho 6.
A vazão máxima de chegada ao reservatório para a situação de ocupação atual é de 2,48 m3/s,
enquanto que a mesma é de 4,82 m3/s para a ocupação futura. Isto pode ser visualizado na figura 12.
A simulação, para este caso, também mostrou um aumento de vazão na recessão dos hidrograma
para a ocupação futura, ocorrendo aproximadamente aos 77 min. A explicação é a mesma feita para a
situação da rede existente.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tempo (minutos)
Vaz
ão (
m3/
s)
Vazão afluente ao reservatório para Tr = 02 anos - pddu
Vazão que sai do reservatório para Tr = 02 anos - pddu
Vazão afluente ao reservatório para Tr = 02 anos - atual
Vazão que sai do reservatório para Tr = 02 anos -atual
Figura 12. Hidrogramas de chegada e saída do reservatório para a alternativa
A figura 13 mostra os pontos com alagamento com a alternativa proposta. Os alagamentos da
avenida Benjamin Constant se reduzem bastante, apesar da entrada do trecho 8 (nó 8) continuar
apresentando problemas. O trecho 7 não apresenta alagamento, pois não há mais entrada lateral de
água. Os excessos de vazão lateral ocorrem somente no trecho 1. Os problemas da região do trecho 6
também diminuem. Na simulação da alternativa proposta, aumentou-se o diâmetro do trecho 6 de 0,80
m para 1,0 m, com o objetivo de não acumular água no nó 6, fazendo com que todo o volume chegasse
ao reservatório. Dessa forma, não houve excedente de montante significativo no trecho.
As figuras 14 e 15 ilustram, comparativamente, a variação de cotas no reservatório ao longo da
simulação para a situação da rede existente e para o proposto neste estudo. Para a ocupação atual, a
adoção do desvio da drenagem provoca um aumento altura no reservatório de somente 0,03 m. Para a
ocupação futura, o aumento foi de 0,12 m.
Condutos
Figura 13. Pontos com alagamento com as alterações propostas
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
3.2
3.4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tempo (minutos)
Vaz
ão (
m3/
s)
Cota - alternativa
Cota - existente
Cota de Fundo da Bacia
Figura 14. Cotas no reservatório para a ocupação atual. Rede existente x alternativa.
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tempo (minutos)
Vaz
ão (
m3/
s)
Cota - alternativa
Cota - existente
Cota Fundo da Bacia
Figura 15. Cotas no reservatório para a ocupação futura. Rede existente x alternativa.
CONCLUSÕES
O objetivo deste artigo foi mostrar que a implantação de medidas estruturais como os
reservatórios deve ser feita observando possíveis inconvenientes que possam ocorrer no sistema,
devido a fenômenos que em geral não são levados em consideração nos projetos. Para isto, deve-se
dispor de uma ferramenta capaz de simular efeitos de jusante e escoamento sob pressão, no caso o
modelo hidrodinâmico. Em regiões planas como a estudada, o remanso causado pela elevação nos
níveis do reservatório pode inclusive provocar cargas na rede de drenagem que chega ao mesmo.
Quanto ao caso em estudo, pode-se afirmar que, para as chuvas mais freqüentes, foram detectadas
pelas simulações os pontos críticos na região da bacia de detenção da avenida Polônia, confirmando o
que vem sendo apontado pela população local. Se não houver uma medida que leve em consideração a
expansão urbana, o problema se agrava.
No caso de se implantar a alternativa proposta, ela certamente melhorará as condições, aliviando
a rede de drenagem que chega ao reservatório. Vale ressaltar que, para este artigo, não foram feitas
simulações com tempos de retorno maiores. Certamente os problemas para a situação atual
aumentariam e talvez soluções simples como a proposta não resolvessem o problema.
AGRADECIMENTOS
DEP (Departamento de Esgotos Pluviais da Prefeitura Municipal de Porto Alegre), PRONEX-
FINEP, CAPES e CNPq.
Aos colegas Sidnei Gusmão Agra, Vladimir Caramori Borges de Souza, Walter Collischonn
pelas fotos do reservatório.
REFERÊNCIAS
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NEVES, Marllus Gustavo Ferreira Passos das. 2000. Modelo hidrodinâmico de redes de drenagem de
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Alegre: UFRGS - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento
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RAUBER, Vicente 1992. Prevenir é o melhor remédio: sistemas de proteção contra inundações e
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TUCCI, C.E.M., Zamanillo, E.A, Pasinato, H.D. 1989. Sistema de Simulação Precipitação-Vazão
IPHS1. Porto Alegre: UFRGS - Curso de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento
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URBONAS, Bem; STAHRE, Peter. 1993. Stormwater: best management pratices and detention for
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VILLANUEVA, Adolfo O. N. 1990. Modelo para escoamento não permanente em uma rede de
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