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UFRGSUN IVERSIDADE FEDERALDO RIO GRAN DE DO SUL

FUNDO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO

FNDCT

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS

PROSAB 01/2006

SISTEMA DE AVALIAÇÃO DE ÁGUAS URBANAS PLUVIAIS E FLUVIAIS

RELATÓRIO PARCIAL 01

PORTO ALEGRE – RS 05/2007

Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Pesquisas Hidráulicas

SUMÁRIO

1 MANEJO DE ÁGUAS PLUVIAIS .................................................................................................. 5 2 MONITORAMENTO QUALI-QUANTITATIVO.......................................................................... 5

2.1 MONITORAMENTO DA QUALI-QUALITATIVO – BACIA CAPIVARA ........................ 5 2.1.1 CARGAS POLUIDORAS POTENCIAIS NA BACIA ................................................... 5 2.1.2 REDE DE MONITORAMENTO DE NÍVEIS E DA QUALIDADE DA ÁGUA........... 7

3 MODELAGEM............................................................................................................................... 13 3.1 MODELOS HIDROLÓGICOS .............................................................................................. 13

3.1.1 A ESCOLHA DO MODELO ......................................................................................... 13 3.1.2 MODELO SWMM ......................................................................................................... 15

3.2 DISCRETIZAÇÃO DA BACIA............................................................................................. 17 3.3 DISCRETIZAÇÃO DO CANAL ........................................................................................... 19 3.4 SENSORIAMENTO REMOTO E GEOPROCESSAMENTO.............................................. 20

3.4.1 CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS ..................................................................... 20 3.4.2 ÁREA IMPERMEÁVEL................................................................................................ 24

3.5 MODELAGEM MATEMÁTICA DA QUALIDADE DA ÁGUA........................................ 31 3.5.1 FONTES DIFUSAS NO MODELO EPA SWWM 5.0 .................................................. 31 3.5.2 FONTES PONTUAIS NO MODELO EPA SWWM 5.0 ............................................... 32

4 DRENAGEM URBANA E RESÍDUOS SÓLIDOS ...................................................................... 32 5 MEDIDAS COMPENSATÓRIAS ................................................................................................. 32

5.1.1 ESTR. DE CONTROLE NA FONTE E A QUAL. DAS ÁGUAS PLUVIAIS ............. 32 5.1.2 ATIVIDADES REALIZADAS ...................................................................................... 38

6 INDICADORES DO MEIO URBANO.......................................................................................... 38 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................ 40

MCT/FINEP/Ação Transversal-PROSAB—01/2006 2


INDICE DE FIGURAS Figura 1 – Coleta sanitária na bacia do arroio Capivara ........................................................................... 5 Figura 2 – Aporte de carga orgânica oriunda de esgotos domésticos brutos............................................ 8 Figura 3 – Rede de monitoramento pré-existente ................................................................................... 11 Figura 4 – Rede de monitoramento da qualidade da água proposta ....................................................... 12 Figura 5 – Estrutura do SWMM (James et al., 2005). ........................................................................... 16 Figura 6 – Slope bacia do Capivara. ....................................................................................................... 17 Figura 7 – Macro do Idrisi para obtenção das características fisiográficas das sub-bacias .................... 18 Figura 8 – Aquisição e formatação das imagens LANDSAT................................................................. 21 Figura 9 – Triangulated Irregular Network – TIN (parcial).................................................................... 21 Figura 10 – Modelo Numérico do Terreno – MNT ................................................................................ 22 Figura 12 – Sub-bacias............................................................................................................................ 23 Figura 13 – Uso e ocupação do solo ....................................................................................................... 23 Figura 14 – Assinaturas espectrais - alvos diferenciados ...................................................................... 25 Figura 15 – Assinaturas espectrais.......................................................................................................... 26 Figura 16 – processo de classificação multiespectral por regiões .......................................................... 26 Figura 17 – classificação multiespectral por regiões .............................................................................. 27 Figura 18 – Delimitação de área urbana ................................................................................................. 27 Figura 19 – Plano “greenness” do índice Tasseled Cap.......................................................................... 28 Figura 20 – Conjunto de parametrização ................................................................................................ 28 Figura 21 – Área impermeável................................................................................................................ 29 Figura 22 – Escolha das áreas amostrais................................................................................................. 29 Figura 23 – Digitalização de áreas impermeáveis .................................................................................. 30 Figura 24 – Classificação Fuzzy x Método proposto.............................................................................. 31 Figura 25 – Pavimento permeável instalado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas/UFRGS................. 34 Figura 26 – Trincheira de infiltração instalada no Instituto de Pesquisas Hidráulicas – UFRGS. ......... 35 Figura 27 – Ecotelhado instalado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas/UFRGS.................................. 36 Figura 28 – Reservatório para coleta da água da chuva em prédio residencial de Porto Alegre. ........... 37



ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 – DBO gerada na bacia do arroio Capivara ............................................................................... 6 Tabela 2 – Produção de resíduos sólidos na bacia do arroio Capivara ..................................................... 6 Tabela 3 – Carga dos poluentes estimadas em kg/ano.............................................................................. 6 Tabela 4 – Valores obtidos em estudos anteriores para seções CP1 e CP2.............................................. 7 Tabela 5 – Localização geográfica das seções de monitoramento............................................................ 8 Tabela 6 – Características fisiográficas da bacia de contribuição das seções de monitoramento ............ 9 Tabela 7 – Parâmetros monitorados nas seções de amostragem............................................................... 9 Tabela 8 – Sub-bacias arroio Capivara ................................................................................................... 17 Tabela 9 – Determinação do comprimento das sub-bacias..................................................................... 19 Tabela 10 – Seções do canal ................................................................................................................... 19 Tabela 11 – Correlação área impermeável x método proposto............................................................... 30 Tabela 12 – Equações do modelo SWWM para geração das cargas difusas.......................................... 31



1 MANEJO DE ÁGUAS PLUVIAIS

2 MONITORAMENTO QUALI-QUANTITATIVO

2.1 MONITORAMENTO DA QUALI-QUALITATIVO – BACIA CAPIVARA

2.1.1 CARGAS POLUIDORAS POTENCIAIS NA BACIA

As cargas potencialmente poluidoras da bacia do arroio Capivara são oriundas,

principalmente, de fontes pontuais de esgotos cloacais, resíduos sólidos, despejados diretamente no

curso d´água ou que carreados até a rede de drenagem pelo escoamento superficial, além da poluição

difusa originada pelas diversas atividades e usos do solo na bacia hidrográfica desencadeada pela

drenagem pluvial. O mapa da figura 1 mostra a situação da bacia do arroio Capivara com relação ao

serviço sanitário (Menegat ; Porto, 1999).

Figura 1 – Coleta sanitária na bacia do arroio Capivara



Com base no mapa e nos valores de população para área urbanizada e não-urbanizada (Figura

1) na bacia hidrográfica, as cargas de efluentes cloacais gerados de forma distribuída estimadas no

Plano Diretor de Drenagem Urbana do arroio Capivara apresentam os seguintes valores Tabela 1

(DEP ; UFRGS, 2005).

Tabela 1 – DBO gerada na bacia do arroio Capivara

Área (ha)

População (hab)

Densidade (hab/ha)

Consumo (m3/dia)

DBO (kg/dia)

DBO (ton/ano)

Área não-urbanizada 521,00 7737 14,85 1237,72 371,32 135,53 Área urbanizada 613,00 13433 21,91 2149,00 644,70 235,32 Total 1134,00 21170 18,67 3386,73 1016,02 370,85

(Fonte: DEP, 2005)

Neste estudo, estimou-se também a geração per capita e total de resíduos sólidos na bacia do

arroio Capivara que chegam à rede de drenagem. As estimativas para a área urbanizada e não-

urbanizada são apresentadas no Tabela 2 a seguir.

Tabela 2 – Produção de resíduos sólidos na bacia do arroio Capivara

Total de Resíduos sólidos

Total de Resíduos sólidos na drenagem

População (hab)

Produção per capita

(Kg/hab/dia) ton/dia ton/ano ton/dia ton/ano Área não-urbanizada 7737 0,48 3,54 1292,91 0,18 64,65 Área urbanizada 13433 0,50 6,50 2376,81 0,32 118,82 Total 21170 0,49 10,04 3669,72 0,50 183,47

(Fonte: DEP, 2005)

Para fontes poluidoras oriundas da drenagem pluvial urbana, as cargas estimadas para os

parâmetros fósforo total, nitrogênio total, COD, DBO, Zn, Pb e Cu, em kg/ano, são mostradas no

Tabela 3.

Tabela 3 – Carga dos poluentes estimadas em kg/ano

Fósforo total

Nitrogênio Total

COD DBO Zinco Chumbo Cobre

Área não-urbanizada 0,36 2,55 70,05 9,18 0,14 0,14 0,04 Área urbanizada 0,54 3,90 106,93 14,01 0,21 0,21 0,05 Total 0,90 6,45 176,98 23,19 0,35 0,35 0,09

(Fonte: DEP, 2005)



2.1.2 REDE DE MONITORAMENTO DE NÍVEIS E DA QUALIDADE DA ÁGUA

O Arroio Capivara possui em operação duas seções de monitoramento da qualidade da água,

CP1 e CP2. Estes pontos de amostragem já foram utilizados em estudos qualitativos prévios dos

recursos hídricos na bacia do arroio Capivara por Bollmann (2003) e Petry (2005). A localização dos

pontos da rede de monitoramento já existente pode ser visualizada na Figura 3.

Os pontos foram escolhidos devido às diferenças marcantes na ocupação do solo a montante

das seções citadas. A seção CP1 está localizada próxima das nascentes, com uso do solo da bacia

contribuinte predominantemente rural e ainda com uma configuração natural do talvegue principal.

A seção CP2, por sua vez, está localizada próxima da foz, logo apresenta uma área de contribuição

bastante modificada, principalmente, por conta da intensa urbanização, refletindo na canalização do

canal principal, em alguns trechos, e o acréscimo no aporte de poluentes provindos de esgotos

domésticos.

Os autores citados anteriormente verificaram em seus trabalhos diferenças significativas nas

concentrações de alguns parâmetros de qualidade da água entre as seções de amostragem, resultando

numa piora na qualidade da água na seção mais a jusante, em função da intensificação da área

urbanizada. A seguir, a Tabela 4 apresenta valores para alguns parâmetros monitorados durante estes

estudos.

Tabela 4 – Valores obtidos em estudos anteriores para seções CP1 e CP2

Bollmann (2003) (jan/99 - set/00)

Petry (2005) (mai/04 - jan/05)

CP1 CP2 CP1 CP2

Parâmetro

m D.P. m D.P. m D.P. m D.P. DQO (mg/l) 53,48 36,28 108,80 51,65 16,51 9,09 83,52 40,22 OD (mg/l) 4,90 2,50 2,75 2,31 6,14 1,04 2,8 1,44 Pt (mg/l) 1,18 0,78 2,73 1,38 0,20 0,12 1,89 0,64 Nt (mg/l) 10,47 5,88 20,25 9,46 2,22 1,06 16,55 6,39

Estas seções também possuem linígrafos para medição de níveis, conforme pode ser visto na

figura 3. Dispõe-se de uma extensa série de níveis observados, a qual servirá para ajuste da simulação

quantitativa da bacia do arroio Capivara. Além das seções de amostragem comentadas, está em

contínua operação uma estação meteorológica situada às margens do arroio, para monitoramento dos

dados de precipitação e demais variáveis climáticas.

Para o estudo em questão, entretanto, além dos pontos de monitoramento já existentes, foram

selecionadas mais quatro seções de monitoramento da qualidade da água. Algumas destas seções



foram inseridas com a finalidade de monitorar a qualidade da água dos afluentes que contribuem de

maneira mais significativa para arroio Capivara, em função da sua área de drenagem.

Além do monitoramento no exutório de algumas sub-bacias, pretende-se também amostrar

dados de qualidade a jusante do ponto onde se localiza a estação meteorológica. Isto se deve, em

função do notório aporte de carga orgânica neste trecho, devido às contribuições diretas de esgotos

domésticos oriundos de aglomerados residenciais que confinam o arroio Capivara, conforme é

mostrado na figura 2.

Figura 2 – Aporte de carga orgânica oriunda de esgotos domésticos brutos

A Figura 4 apresenta a rede monitoramento de qualidade da água, proposta para este estudo,

na bacia do arroio Capivara. Nesta figura foram renomeadas as seções de monitoramento da seguinte

forma: ao longo do canal principal, CP1 a CP4, para as demais seções localizadas nos afluentes, AF1 a

AF3. A localização geográfica dos pontos e as características fisiográficas das áreas de contribuição são

mostradas nos tabela 5 e 6, respectivamente.

Tabela 5 – Localização geográfica das seções de monitoramento

Pontos de amostragens atuais

Pontos de amostragens pré-existentes

Latitude (graus/min/seg)

Longitude (graus/min/seg)

CP1 - 30° 07' 26,9" S 51° 11' 16,8" W CP2 CP1 30° 07' 43,9" S 51° 12' 13,0" W CP3 - 30° 07' 46,2" S 51° 12' 14,2" W CP4 CP2 30° 04' 05,1" S 51° 10' 20,9" W AF1 - 30° 07' 31,7" S 51° 11' 18,1" W AF2 - 30° 07' 37,1" S 51° 11' 56,0" W AF3 - 30° 07' 51,7" S 51° 12' 24,9" W



Tabela 6 – Características fisiográficas da bacia de contribuição das seções de monitoramento

Seções de Monitoramento Características fisiográficas da área de contribuição CP1 CP2 CP3 CP4 AF1 AF2 AF3

Área de drenagem (km2) 9,68 5,91 3,70 1,45 0,55 0,96 1,41 Perímetro da bacia (km) 20,67 15,37 12,10 7,47 4,22 6,29 7,41 Extensão do canal principal (m) 6187 4585 3542 2216 1332 2061 2769 Declividade do canal principal (m/m) 0,04 0,05 0,06 0,09 0,03 0,07 0,07 Cota máxima (m) 237 237 237 237 80,6 167,8 211,0 Cota mínima (m) 7,56 15,48 23,98 34,87 35,9 25,74 17,05

A seguir, a tabela 7 apresenta os parâmetros de qualidade da água monitorados seguidos da

metodologia de análise paras as seções de amostragem para o monitoramento de base.

Tabela 7 – Parâmetros monitorados nas seções de amostragem.

Parâmetro Laboratório de Análise

Temperatura, salinidade, pH, cor, condutividade, potencial redox e OD

Sonda quanta

Sólidos Suspensos (mg/l) Agronomia UFRGS

Nitrogênio total kjeldahl - TKN (mg/l) Agronomia UFRGS

Nitrato (mg/l) Agronomia UFRGS

Fósforo Total (mg/l) Agronomia UFRGS

Ortofosfatos (mg/l) Agronomia UFRGS

COD/COT/CID (mg/l) Agronomia UFRGS

Metais (Pb, Cu, Zn, Cr, Cd) (mg/l) Agronomia UFRGS

Óleos e graxas (mg/l) Agronomia UFRGS

Coliformes fecais Veterinária UFRGS

A freqüência das campanhas de monitoramento de base será quinzenal, em todas as seções de

amostragem discutidas anteriormente.

Serão realizadas também campanhas durante eventos chuvosos, podendo ou não coincidir

com as datas das campanhas de base. Estas campanhas serão relevantes não somente para etapa de

calibração do modelo de qualidade da água, mas também para o entendimento da carga lavagem

(“first-flush”, em inglês) da drenagem pluvial urbana na bacia do arroio Capivara.

As campanhas durante eventos chuvosos, entretanto, não serão realizadas em todas as seções

de monitoramento discutidas. Nestas campanhas serão monitoradas somente as seções CP1 e AF1.



Quanto aos recursos humanos, a equipe que participará das campanhas de campo é composta

por bolsistas de nível técnico - AT (2), iniciação científica - IC (1) e de apoio tecnológico – DTI-III (1).

Com os resultados obtidos através das campanhas de monitoramento da qualidade da água,

pretende-se avaliar o padrão temporal dos parâmetros monitorados nos pontos de amostragem não

somente durante eventos, através de polutogramas, mas também avaliar entre eles os efeitos da

sazonalidade ao longo do período de monitoramento, como por exemplo, os efeitos da deposição de

poluentes na superfície da bacia em função da umidade, período de tempo seco antecedente,

intensidade e duração da precipitação, etc.

Neste sentido, por conta da distribuição espacial dos pontos amostrais, poderão ser realizados

também perfis longitudinais dos parâmetros e, desta forma, avaliar o quão significativo é o efeito da

urbanização na bacia hidrográfica sobre o arroio Capivara em direção a sua foz no Lago Guaíba.

Os resultados servirão também para ajustar o modelo de qualidade da água utilizado, EPA

SWWM 5.0, seja para simulação de eventos isolados, seja para a simulação contínua, compreendendo

desta forma o período do monitoramento de base. A metodologia empregada no modelo para simular

a geração de cargas difusas e o transporte de poluentes na bacia hidrográfica é mostrada no tópico 3.5.



Seção CP1 - Seção de monitoramento de níveis e de qualidade da água – Detalhe da calha de medição de níveis.

Seção CP2 - Seção de monitoramento de níveis e de qualidade da água.

CPmet - Detalhe da Estação Meteorológica

Seção CP1 - Seção de monitoramento de níveis e de qualidade da água – Detalhe da vista para jusante.

Figura 3 – Rede de monitoramento pré-existente



Seção CP1

Seção AF3

CPmet

Seção CP3

CP4

CP2

Seção AF1

Seção AF2

Figura 4 – Rede de monitoramento da qualidade da água proposta MCT/FINEP/Ação Transversal-PROSAB—01/2006 12


3 MODELAGEM

3.1 MODELOS HIDROLÓGICOS

A hidrologia trata dos fenômenos naturais complexos encontrados no ciclo hidrológico. Os

processos, como a precipitação, evaporação, infiltração e escoamento em rios, dependem de um grande

número de fatores, que dificultam a análise quantitativa dos mesmos. Nesse contexto, o modelo pode ser

entendido como a representação de algum objeto ou sistema, numa linguagem de fácil acesso e uso, com

o objetivo de entendê-lo e assim, encontrar as respostas para diferentes entradas (Tucci, 2005).

Quando o homem estrutura sistemas artificiais complexos como, sistemas estruturais ou

elétricos, por exemplo, possui sob seu domínio o controle de seus fatores condicionantes. Tal situação

não ocorre em sistema natural como a bacia hidrográfica em que os fatores pertinentes a ela foram

moldados pela natureza. In casu, o que o homem faz é adaptar os seus condicionantes, procurando

entender o funcionamento da natureza. Nessa situação, de forma distinta dos sistemas artificiais, diante

de um monitoramento prévio o que se procura obter é uma previsão de resposta a diferentes ações como

precipitações extremas, estiagens, alteração no uso e ocupação do solo e demais fatores intervenientes do

comportamento hidrológico. Em outras palavras, o modelo hidrológico torna-se então uma das

ferramentas para entender e representar o comportamento da bacia hidrológica, podendo, por

conseguinte, prever condições diferentes das observadas, como por exemplo, o impacto do processo de

urbanização (Tucci, 2005). Segundo ainda o autor, as principais limitações dos modelos hidrológicos são

a quantidade e qualidade dos dados disponíveis. Contribui ainda para esta limitação a dificuldade de se

formular matematicamente alguns processos e a simplificação do comportamento espaciais de

fenômenos e variáveis.

3.1.1 A ESCOLHA DO MODELO Para Tucci (2005), em um projeto a aplicação dos modelos hidrológicos envolve procedimentos

que vão além da escolha do próprio modelo. Etapas como a seleção e análise dos dados necessários, o

ajuste e verificação dos parâmetros, a definição dos cenários de aplicação e o prognóstico e estimativa

das incertezas dos resultados. Para o autor, existe um grande número de elementos a serem analisados,

quando da utilização de modelo hidrológico para um determinado problema. Os principais aspectos a

serem considerados apontados pelo autor são:

Objetivos do estudo: O uso dos modelos deve estar ligado diretamente aos objetivos envolvidos

no estudo. Normalmente os modelos têm limitações em representar perfeitamente os processos



envolvidos no estudo sendo necessário, portanto, cuidadosas considerações sob o ponto de vista da

aplicação prática.

Neste contexto, os modelos por bacia foram desenvolvidos com o objetivo de se obterem

resultados satisfatórios, tanto quantitativos, quanto qualitativamente de vazões em função da

disponibilidade de dados pluviométricos das bacias. Estes modelos podem representar de maneira

adequada as variações no uso e ocupação do solo possibilitando a estimativa quali-quantitativa para os

novos cenários (Tucci, 2005), que sinteticamente constitui-se em um dos objetivos deste trabalho.

As características da bacia e do rio: a variabilidade das características físicas e climáticas das

bacias hidrográficas é muito grande, portanto os processos e os problemas que nela ocorrem dependem

de uma intricada combinação de muitos fatores como clima, relevo, solo, geologia, cobertura vegetal,

entre outras características físicas.

Para o autor, aspectos como a representação dos processos dominantes (processos horizontais)

que ocorrem nas bacias urbanas, tais como: infiltração e escoamento não-saturado, escoamento

superficial e em rios deverão ser satisfatoriamente representados.

Além da estrutura de representação dos processos, a escolha do modelo também deve verificar a

sua capacidade de configurar espacialmente os processos e o uso das características físicas das bacias. É

necessário que o modelo tenha capacidade de identificar esta variabilidade e simular de forma

distribuída o objeto de estudo.

Os modelos precipitação-vazão procuram representar de forma integrada os processos da

distribuição espacial da precipitação, as perdas por interceptação, evaporação, depressão do solo, o fluxo

através do solo pela infiltração, percolação e água subterrânea, escoamento superficial, sub-superficial e

no rio (Tucci, 2005). Nesta classe de modelos, os distribuídos por bacias permitem que a bacia seja

subdividida espacialmente por sub-bacias de forma que estas possam representar de maneira regular

determinados parâmetros ou locais de interesse que a metodologia do trabalho exige.

Disponibilidade de dados: os dados existentes podem inviabilizar algumas metodologias mais

sofisticadas que exigem muitas informações, enquanto outras que utilizam poucos parâmetros

relacionados com alguns indicadores podem ser úteis para responder as questões pendentes. Com

relação à este assunto Tucci (2005) discorre:

A quantidade e a representatividade das informações para ajuste e verificação nestes casos é fundamental para permitir um resultado de qualidade. É a diferença entre buscar um resultado confiável e estar somente na magnitude dos valores esperados. Nenhum modelo cria informações sobre uma bacia, o modelo tem a finalidade de explorar melhor as informações existentes. Quando as informações são deficientes um experiente hidrólogo pode obter resultados na magnitude dos valores verdadeiros, mas as incertezas poderão representar custos altos. Da mesma forma, quando os dados são confiáveis o mesmo profissional poderá obter resultados próximos do real e reduzir de forma significativa os custos dos projetos de recursos hídricos nos quais as vazões resultantes serão utilizadas.



A bacia do Arroio Capivara foi objeto de estudo em diversos trabalhos desenvolvidos no

Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas

Hidráulicas, bem como em várias publicações (DEP et al., 2005; Petry, 2005; Bollmann, 2003) possuindo,

assim, dados com qualidade, confiabilidade. Os modelos precipitação-vazão distribuídos por bacias

possibilitam a representatividade dos dados disponíveis da bacia em estudo.

Familiaridade com o modelo: para Tucci (2005) devido ao grande empirismo adotado pelas

equações matemáticas introduzidas na maioria dos modelos, o melhor será aquele que usuário tiver

maior sensibilidade sobre os parâmetros e o efeito dos processos no hidrograma da bacia. O usuário

deverá portanto ter familiaridade com o modelo escolhido, podendo identificar parâmetros ou

resultados que não representem a condição real da bacia.

Segundo Tucci (2005), há uma infinidade de exemplos que combinam os diferentes algoritmos

existentes para representar os processos hidrológicos. Segundo ainda o autor seria intangível representar

todos os modelos, bem como pouco produtivo discorrer sobre uma comparação entre eles. Uma boa

revisão sobre os modelos representativos desta classe é apresentado por Tucci (2005). Singh (1995)

apresenta em seu trabalho uma boa coletânea sobre os modelos hidrológicos.

3.1.2 MODELO SWMM

O SWMM é um software bastante difundido e com grande aplicação para bacias urbanas. Ele foi

desenvolvido pela U.S. EPA (Enviromental Protection Agency) entre 1969 e 971, após essa data sofreu

diversas atualizações em 1975, 1981, 1988 (James et al., 2005). Além da EPA, empresas que trabalham no

desenvolvimento de aplicativos já realizaram modificações no SWMM, a maioria promovendo

integração com o ambiente SIG ou CAD, incluindo ferramentas de apresentação dos resultados e

melhoria na capacidade do banco de dados do aplicativo. Alguns aplicativos desenvolvidos neste

sentido são o PCSWMM (Computational Hydraulics Int.- CHI, 2007), XPSWMM (XP Software Inc., 2007)

e o MIKE SWMM (DHI Water & Environment, 2007). A interface adotada foi o PCSWMM por

possibilitar a modelagem simultâneas em diferentes verões do SWMM (SWMM 4.4 – 2005/10 e SWMM

5.0.009 2006/09).

Segundo James et al (2005), o SWMM estrutura-se em nove blocos ou módulos, sendo quatro

computacionais e de serviços, além do módulo executivo. Salientando os módulos computacionais

encontrou-se o módulo Runoff referente à transformação de chuva em vazão, o módulo Transport, ao

transporte na rede de drenagem segundo o conceito da onda cinemática, o módulo Extran referente à

modelação hidrodinâmica em condutos e canais e o módulo Storage/Treatment ao tratamento da



qualidade das águas. Na Figura 5 está representada e estrutura dos módulos do SWMM e a inter-relação

entre eles.

Figura 5 – Estrutura do SWMM (James et al., 2005).

O módulo Runoff permite a simulação quali-quantitativa do escoamento gerado em áreas

urbanas e sua propagação na superfície ou através de canais de forma simplificada. O módulo processa

suas rotinas com base em dados de precipitação ou neve, simulando degelo, infiltração em áreas

permeáveis (modelos de Horton, Green Ampt ou Curve-Number), detenção na superfície, escoamento

na superfície e em canais, podendo ser utilizado para simulações de eventos isolados ou contínuos.

O escoamento superficial é obtido através de um reservatório não-linear para cada sub-área e

pode ser representado pela combinação das equações de Manning e da continuidade. A resolução desta

equação diferencial não linear pode ser resolvida para valores de profundidade da água no reservatório

desconhecidos, através do processo iterativo de Newton-Raphson (Garcia, 2005).

O módulo Transport propaga o escoamento na rede de drenagem segundo o conceito da onda

cinemática, enquanto que o módulo Extran, desenvolvido em 1973 e adicionado no ano subseqüente ao

SWMM, agregou um módulo alternativo para a propagação do escoamento, em redes de condutos e

canais. O Extran acrescentou uma rotina mais sofisticada e complexa, possibilitando a simulação de

condutos sob pressão, propagando o escoamento com a utilização as equações completas de Saint

Venant tendo a vazão e a cota piezométrica como variáveis. A solução se dá através de um esquema

explícito adiantado no tempo, segundo o método de Euler modificado (Garcia, 2005). O módulo simula

efeitos de jusante, fluxo reverso, fluxo a superfície livre e ou sob pressão. O sistema de drenagem é

concebido como uma série de vínculos e nós. Os vínculos (links) transmitem fluxo entre os nós, sendo a



vazão a variável dependente, os nós tem características de armazenamento, sendo a equação da

continuidade aplicada aos nós e a equação da quantidade de movimento ao longo dos vínculos (links).

3.2 DISCRETIZAÇÃO DA BACIA

A bacia do Capivara foi discretizada em 18 sub-bacias indicadas na Tabela 8. A área e a

declividade foram obtidas pela aplicação da macro desenvolvida no Idrisi (Eastman, 2006) e indicada na

Figura 7.

O comprimento da bacia foi obtido segundo a metodologia apresentada por DiGiano et al (1977)

apud (Huber ; Dickinson, 1992). As áreas laterais foram obtidas pelo Idrisi (Eastman, 2006) e calculadas

segundo o procedimento em tela tendo seus valores indicados na Tabela 9.

As rugosidades (áreas impermeável e permeável) foram obtidas pelos valores apresentados por

(James et al., 2005). Os valores adotados para o armazenamento nas depressões foram calculados pela

relação declividade (Figura 6) x armazenamento apresentado por James et al. (2005) e extraídos pela

média de cada sub-bacia analisada. Os parâmetros de infiltração adotados (infiltração inicial máxima,

Infiltração mínima e taxa de decaimento) foram os apresentado por Germano et. al (2000). O percentual

de área impermeável de cada sub-bacia foi obtido conforme procedimento indicado no item 3.4.2.

Figura 6 – Slope bacia do Capivara.

Tabela 8 – Sub-bacias arroio Capivara

Bacia Área (m2)

Perímetro (m)

Hmin (canal) (m)

Hmax (canal) (m)

Dmax (m)

Smédio (bacia) (%)

1 112775.00 1990.00 65.95 114.78 537.46 17.2% 2 550800.00 4220.00 35.38 174.99 1396.68 11.7% 3 959625.00 6290.00 25.74 237.62 2061.28 9.5% 4 338400.00 3650.00 19.03 80.10 1347.12 20.2%



5 1412325.00 7410.00 17.06 249.11 2769.45 10.4% 6 151125.00 3330.00 15.76 72.66 1083.65 19.8% 7 98075.00 2150.00 11.86 34.59 760.40 51.0% 8 143475.00 2280.00 10.37 58.93 765.09 19.5% 9 212525.00 2870.00 7.48 63.62 967.43 20.1%

10 73750.00 1620.00 1.82 8.01 534.86 82.6% 11 782375.00 5340.00 2.07 89.31 1987.67 16.2% 12 126500.00 2230.00 1.65 29.38 719.91 41.2% 13 221175.00 2740.00 7.38 59.84 1054.82 16.3% 14 836725.00 6270.00 9.14 75.83 2072.37 16.1% 15 423725.00 3520.00 13.74 62.48 1017.53 22.0% 16 1149775.00 6480.00 22.06 168.33 2096.68 14.1% 17 359825.00 4590.00 23.95 163.22 1610.45 14.6% 18 188550.00 2890.00 31.37 145.46 1014.82 9.8% 19 156075.00 2380.00 31.92 145.34 823.41 11.2% 20 108025.00 1810.00 40.83 145.40 524.55 7.3% 21 270475.00 3220.00 53.87 153.67 996.60 10.5% 22 293450.00 3290.00 59.65 153.69 971.51 12.7% 24 112725.00 1850.00 77.83 115.30 289.26 13.6% 25 71925.00 1570.00 33.66 93.93 417.74 11.9% 26 121925.00 2270.00 20.94 48.07 708.43 27.4%

Figura 7 – Macro do Idrisi para obtenção das características fisiográficas das sub-bacias



Tabela 9 – Determinação do comprimento das sub-bacias

Bacia Kc Ret. Equiv.

A1 A2 Sk Width (m)

1 1.67 411.66 84675.00 28100.00 0.50166 805.30 2 1.60 891.18 316025.00 234775.00 0.14751 2587.33 3 1.81 1250.01 740375.00 219250.00 0.54305 3003.18 4 1.77 733.78 226400.00 112000.00 0.33806 2238.83 5 1.76 1494.36 793300.00 619025.00 0.12340 5197.16 6 2.42 572.95 69275.00 81850.00 0.08321 2077.13 7 1.94 413.21 81225.00 16850.00 0.65639 1021.68 8 1.70 467.97 83550.00 59925.00 0.16466 1404.20 9 1.76 579.23 119025.00 93500.00 0.12010 1818.67

10 1.68 334.01 40775.00 32975.00 0.10576 1013.15 11 1.70 1094.42 496100.00 286275.00 0.26819 3442.27 12 1.77 448.47 66225.00 60275.00 0.04704 1405.96 13 1.64 571.64 149050.00 72125.00 0.34780 1742.77 14 1.93 1205.98 553450.00 283275.00 0.32290 3475.58 15 1.52 762.26 294550.00 129175.00 0.39029 1637.93 16 1.70 1327.40 692400.00 457375.00 0.20441 3764.78

19 1.70 488.30 117775.00 38300.00 0.50921 1227.53 20 1.55 388.40 92700.00 15325.00 0.71627 673.38 21 1 1566.61

1 672.27 158600.00 134850.00 0.08093 1 24 1.55 71675.00 41050.00 0.2716825

17 2.16 835.58 251600.00 108225.00 0.39846 2579.20 18 1.88 564.11 112000.00 76550.00 0.18801 1838.84

.75 651.66 193125.00 77350.00 0.42804 22 .71 864.39

396.87 499.93 3 1.65

1.83 326.76 448.33

41225.00 69825.00

30700.00 0.146352100.00

774.351313.87

26 0.14538

3.3 DISCRETIZA ÃO CO canal foi d ret em es c nd T A correspondentes

às galerias fechadas am das art E P 05), enquanto as

seções irregulares se o po am r re adotadas as

rugosidades aprese os Jam ., 20

bel s

n io p ç Tipo

Ç DO ANAL isc izado 19 seçõ onforme i icado na abela 10. s seções

for obti no Dep amento de sgotos Pluviais (DE et al., 20

rão btidas r levant ento topog áfico a ser alizado na bacia. Serão

ntad por ( es et al 05).

Ta a 10 – Seçõe do canal

Ca al Exutór Com . (m) Se ão 1 1 4 .2 2 1 .3 3 .4 4 1 .5 5 1 .

11.47 1 Reg Retang. 81.97 2 Reg Retang. 91.58 3 Reg Retang. 40.72 4 Reg Retang. 32.80 5 Reg Retang.



6 6 3 .56.43 6 Reg Circular 7 7 1 . 8 8 4 .9 10 1 e

10 3 e11 2 e12 e13 1 e14 15 111.91 14 Irregular 15 16 223.27 15 Irregular

512.14 16 Irregular 204.52 17 Irregular

29.14 7 Reg Circular 60.54 8 Reg Circular 86.31 9 Irr gular

11 12

50.8443.31

10 Irr11 Irr

gular gular

13 62.08 12 Irr gular 14 06.60 13 Irr gular

16 1817 1918 20 133.36 18 Irregular 19 21 102.05 19 Irregular

3.4 SENSORIAMENTO REMOTO E GEOPROCESSAMENTO

3.4.1 CARACTERÍSTICAS FISIOG

A utilização d rocessa opor e e de informações,

qualificando os dados necessários para o estudo, como: uso do solo, levantamento digital do terreno

entre outros. A utilização dessas informações tem grande utilidade na elaboração de projetos de

drenagem e estudos de impacto em bacias urbanas (Garcia, 2005).

A importância do geoprocessamento, no contex lanejam n s hídricos, surge

devido à necessidade de se manipular propriedades hidrológicas que apresentam grande variabilidade

espacial e temporal, sendo aí sua princi vantagem (M ; Ciril 001

Para a manipulação e model dos dado util dos intes softwares de

geoprocessamento:

• Idrisi vers ndes (Eastm 2006),

• CartaLinx versão 1.2 (CartaLinx, 1999)

Foram utilizadas imagens orbitais da série de satélites LANDSAT (órbita 221, cena 81

4/05/2005) e Imagem do Satélite QuickBird PACK (Bandas Separadas – 21/05/2005) 0,60P&B e 2,40m

imo) e 1 banda

pancromática). Escala Cartográfica de 1:50.000 com nível de precisão de 23m. O procedimento de

dicado na Figura 8.

Constrained Delaunay Triangulation

RÁFICAS

o geop mento pr ciona grand agilidad na ção obten

to do p e to dos recurso

pal endes o, 2 ).

agem s foram iza os segu

ão A an,

0

Color (4 bandas multiespectrais (azul, verde, vermelho e infravermelho-próx

aquisição e formatação para a imagem LandSat está in

O modelo numérico do terreno – MNT, que descreve o relevo da região de estudo, foi obtido por

digitalização do levantamento aerofotogramétrico escala 1:5.000 efetivados entre 1982 e 1987 (Secretaria

Municipal do Planejamento de Porto Alegre, 2006). Após a digitalização foram geradas redes irregulares

triangulares (Triangulated Irregular Network - TIN) pelo processo



com a

.

SAT

aplicação de remoção de barreiras - "bridge and tunnel" edges - (Eastman, 2006). A Figura 9

apresenta um exemplo da rede gerada (área parcial). O modelo numérico final do terreno foi obtido pela

rasterização das TIN’s com resolução de 5x5 metros está indicado na Figura 10

Importadas para o Idrisi

Figura 8 – Aquisição e formatação das imagens LAND

Figura 9 – Triangulated Irregular Network – TIN (parcial)

As definições das bacias e sub-bacias e da micro-drenagem natural com suas características

morfométricas (delimitação da bacia, área da bacia, canal principal, comprimento do canal principal,

declividade do canal prin uso do software IDRISI

(Eastman, 2006). O resultado é apresentado nas Figura 11 e Figura 12.

cipal) dar-se-ão digitalmente através do MNT com o

•Image Windowing

Banda 01

Banda 02

Banda 03

Banda 04

Banda 05

Banda 06.1

Banda 06.2

Banda 07

Banda 08

GeoreferenciadasUtm_22s

Fontes

Banda 01

Banda 02

Banda 03

•Image Windowing

Banda 04

Banda 05

Banda 06.1

Banda 06.2

Banda 07

Banda 08

GeoreferenciadasUtm_22s


Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Pesquisas Hidráulicas Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Pesquisas Hidráulicas


Figura 10 – Modelo Numérico do Terreno – MNT

Rede de drenagem

Figura 11 – Rede de drenagem sintética



Sub-bacias

Figura 12 – Sub-bacias

O estabelecimento de uso e ocupação do solo da bacia foi obtido por digitalização da imagem

Quickbird (2003). o resultado é apresentado na Figura 13.

Figura 13 – Uso e ocupação do solo

Canal principal

Exutórios



3.4.2 ÁREA IMPERMEÁVEL

Quando se tratando de imagens de alta resolução, as imagens digitais de áreas urbanas

geralmente são visualizáveis por sua geometria e características texturais. As características espectrais da

área urbana, por serem muito heterogêneas, são de difícil classificação. A diversidade de materiais que

compõem a cobertura do solo urbano fazem com que o uso da resposta espectral para sua caracterização

seja muito complexa (Alves, 2004). Diversos trabalhos a cerca do assunto tem sido publicados, dentre os

quais podemos citar as classificações supervisionadas, a teoria dos conjuntos fuzzy e o conceito de

“pixels mistura”, entre outros. Para a análise de áreas impermeáveis diversos trabalhos adotando os dois

últimos conceitos são encontrados na literatura (Campana ; Tucci, 1994; Campana ; Tucci, 2001;

Campana; Haertel ; Tucci, 1992).

Em suma, a teoria dos conjuntos fuzzy estabelece uma relação sobre as incertezas da informação

apresentada. De forma geral, ela busca representar a informação de forma mais próxima possível da

linguagem natural, utilizando-se de modificadores que dividam uma classificação ou solucionem uma

determinada situação. A abordagem fuzzy nos permite trabalhar com a imprecisão, ou seja, com

situações em que não podemos responder simplesmente “sim” ou “não”. Em uma classificação de

incertezas fuzzy, os possíveis resultados da função de pertinência estarão no intervalo [0,1], sendo que o

valor zero indica que o pixel não pertence à classe amostrada, e o valor um indica que o pixel pertence

totalmente à classe(Alves, 2004).

No conceito “pixels mistura”, quando um sensor observa a cena, a radiância detectada é a

integração, denominada mistura, de todos os objetos, denominados componentes da mistura, contidos

no elemento de cena. Isso significa que muitas vezes, no interior de uma célula de resolução (pixel) mais

de uma classe ocorre. O conceito de “pixels mistura” busca gerar de imagens sintéticas, que representem

as proporções de cada componente da mistura dentro dos pixels, isto é, o número de bandas originais é

reduzido para o número de componentes do modelo de mistura (Alves, 2004).

Com relação à quantificação da área impermeável, a primeira abordagem apresenta como

vantagem a simplificação nas incertezas e a independência espectral da cena, ou seja, todos os

parâmetros necessários à classificação podem ser obtidos na própria imagem, porém, tem como

desvantagem o subjetivismo do classificador no processo, o que dificulta a correlação entre cenas

distintas.

A segunda abordagem permite estabelecer com maior precisão a composição (proporção de cada

componente – ex: concreto, asfalto, solo exposto, vegetação, etc.) dos pixels, contudo apresenta uma

relativa dificuldade no que diz respeito à obtenção da resposta espectral de elementos considerados



como “puros”, seja em sua identificação na própria imagem, seja pela atribuição de valores adotados de

io (neste caso a dificuldade se deve a grande variabilidade da

respost

á não é tão evidente devido aos fatores anteriormente expostos (pixel

mistura

bibliotecas ou obtidos em laboratór

a espectral de um mesmo material dos componentes do modelo em questão).

Procurando estabelecer um procedimento que permita minimizar as ações subjetivas inerentes ao

processo de classificação e que permita uma melhor correlação entre os resultados obtidos para cenas

distintas foi adotada uma metodologia que emprega uma nova abordagem, utilizando-se de

classificação multiespectral por regiões (classificadores Bayesianos) em conjunto com o índice Tasseled

Cap conforme descriminado a seguir:

Determinados alvos tais como água, solo e vegetação poder ser facilmente identificados devido à

separação de suas respostas espectrais (Figura 14), contudo, quando analisamos uma área urbana

(Figura 15), esta identificação j

).

Sendo assim, uma primeira classificação é realizada tendo como objetivo a identificação dos alvos

considerados como 100% permeável (água, solo e vegetação) e de fácil identificação em um

procedimento de classificação multiespectral por regiões. Após essa classificação, as regiões não

identificadas no procedimento anterior (área urbana) tem sua relação de área impermeável adotada por

uma normalização do plano “greenness” obtido pelo índice Tasseled Cap. Estas etapas são melhor

descritas a seguir:

Figura 14 – Assinaturas espectrais - alvos diferenciados



Figura 15 – Assinaturas espectrais

ormação espacial que envolve a relação com seus vizinhos. Para a definição das áreas de

treinam

rais correspondentes às áreas de treinamento foram produzidas para as bandas um a

cinco e banda sete. Posteriormente, classificadores Bayesianos foram aplicados para a identificação de

cada pixel (Eastman, 2006). São considerados como 100% permeável os pixels classificados como água,

solo exposto e vegetação enquanto que o restante foram submetidos ao procedimento indicado na etapa

seguinte. O procedimento está indicado na Figura 16 e o resultado desta etapa é mostrado na Figura 17.

Figura 16 – processo de classificação multiespectral por regiões

1) A caracterização de alvos que possuem como característica a alta separação em suas

assinaturas espectrais (ex: água, solo exposto e vegetação) foi estabelecida por classificação

multiespectral por regiões, ou seja, classificadores que utilizam, além de informação espectral de cada

pixel, a inf

entos foi utilizada composições das bandas 123, 345, 432 e 457, índices de vegetação NDVI e

RRVI, bem como o índice Tasseled Cap, todas da série LANDSAT.

As áreas de treinamento foram purificadas por procedimento paramétrico, examinando-se cada

pixel definido nas áreas de treinamento e seus correspondentes valores nas bandas utilizadas na análise.

Novas áreas de treinamento foram definidas por purificação dentro de uma faixa de 5% de exclusão.

Assinaturas espect

Composições Landsat

123 (RGB)345 (RGB)432 (RGB)457 (RGB)

Treinamento de áreas

Filtro

Assinatura espectral

Indices de vegetaçãoNDVI NRVI

Classificação Pesos

ComponentesPrincipais

Uso do Solo



Figura 17 – classificação multiespectral por regiões

Figura 18 – Delimitação de área urbana

2) Para os pixes considerados como “urbano” (Figura 18) a quantificação da área impermeável se

deu pela parametrização de um dos planos do índice Tasseled Cap para imagem LandSat TM obtido

segundos parâmetros indicados em (Crist ; Cicone, 1984). Dos resultados obtidos, foi utilizado o plano

“greenness” que consiste no contraste entre as bandas de infravermelho próximo e as bandas visíveis

(Figura 19). Este plano tem como característica a substancial dispersão da radiação infravermelho

resultante da composição estrutural foliar presente na vegetação e da absolvição da radiação visível

pelos pigmentos das pla

ntas (Crist et al., 1984).



Figura 19 – Plano “greenness” do índice Tasseled Cap

Segundo ainda o autor, o plano de informação gerado apresenta elevados valores para altas

densidades de vegetação, enquanto baixos valores são obtidos para a ausência desta. Esta característica

confere a este plano uma boa correlação entre a presença de biomassa e área impermeável. Para corrigir

os valores extremos encontrados em pequenas áreas (extremos de alta e baixa presença de biomassa) os

valores foram parametrizados com a exclusão destes extremos. A melhor parametrização foi obtida

normalizando os valores com exclusão de 11% dos valores superiores e inferiores. A Figura 20 apresenta

uma gama de normalizações com exclusão dos extremos variando de 1% a 20%. O resultado final para

quantificação das áreas impermeáveis é apresentado na Figura 21.

Figura 20 – Conjunto de parametrização

35%

95%

45%

55%

65%

75%

85%

1 2 3 4 5 6

ÁREA TESTE 1% 2% 3% 4% 5% 6%7% 8% 9% 10%

Impermeabilização

11% 12% 13%14% 15% 16% 17% 18% 19% 20%



Figura 21 – Área impermeável

3) Para a validação dos dados foram estabelecidas seis áreas validação em uma imagem

Quickbird onde foram digitalizadas as áreas consideradas como impermeáveis (2005). A Figura 22

indica a localização destas áreas enquanto que a Figura 23 indica digitalização da área impermeável em

uma área teste. Os resultados são apresentados na Tabela 11. Uma comparação com os resultados

obtidos pela metodologia fuzzy é apresentado na Figura 24.

Fi s

gura 22 – Escolha das áreas amostrai



Figura 23 – Digitalização de áreas impermeáveis

Tabela 11 – Correlação área impermeável x método proposto

Amostra Imper Resultado 1 89.5% 79.4% 2 82.1% 74.0% 3 71.5% 64.2% 4 59.4% 61.7% 5 49.9% 62.6% 6 33.6% 44.3%



35%

45%

55%

65%

75%

85%

95%

1 5 62 3 4

ÁREA TESTE METO RODOLOGIA P POSTA METODOLOGIA FUZZY

impermeabilização

Figura 24 – Classifi zy do proposto

3.5 MODELAGEM MATEMÁTICA DA QUALIDADE DA ÁGUA

3.5.1 FONTES DIFUSAS NO MODELO EPA SWWM 5.0

O modelo fornece três metodologias para estimar a geração das cargas poluidoras de origem

difusa na bacia hidrográfica (EPA, 2005). São elas de acordo com o decréscimo na complexidade:

- Equações de acumulação e lavagem no solo (buildup - washoff).

- Carga gerada proporcional à vazão (relações WxQ).

- Concentração média constante de determinada substância (EMC).

Para a primeira metodologia citada (buildup - washoff), através das campanhas de

monitoramento por eventos, principalmente, nas sub-bacias com usos e ocupação característicos,

podem-se ajustar os dados monitorados às equações disponíveis para representação da carga de

lavagem na superfície da bacia. Entretanto, para acumulação, podem ser utilizados coeficientes

recomendados na literatura.

Por outro lado, equações que relacionam vazão e carga e o uso de concentrações médias no

evento (CME) dos poluentes também podem ser úteis para estimar as cargas de lavagem difusas. Neste

caso, podem ser úteis não somente os resultados das campanhas realizadas, mas também valores

encontrados na literatura como estimativa preliminar nas simulações de qualidade da água.

As equações empregadas pelo modelo para as metodologias comentadas acima são as seguintes:

Tabela 12 – Equações do modelo SWWM para geração das cargas difusas

Acumulação de poluentes (Buildup)

cação Fuz x Méto

Função potência

C1 = máxima acumulação possível [M/L2] C2 = taxa constante de acumulação C3 = expoente da variável tempo

Áreas de ostragemam



Função exponencial C1 = máxima acumulação possível [M/L2] C2 = taxa constante de acumulação [1/T]

Função de saturação

C1 = máxima acumulação possível [M/L2] C2 = constante de saturação [T]

Lavagem de poluentes (Washoff) Função exponencial

C1 = coeficiente de lavagem C2 = expoente de lavagem

o superficial por área [L/T] B = massa de poluente retido no solo por área [M/L2]

Relação entre W e Q

q = taxa de escoament

C1 = coeficiente de lavagem C2 = expoente de lavagem

ial [L/T] CME

Q = taxa de escoamento superficC1 = concentração de poluente

C2 = 1 Q = taxa de escoamento superficial [L/T]

3.5.2 FONTES PONTUAIS NO MODELO EPA SWWM 5.0

esgotos

domés es para calibração do modelo,

princip nado nas suas margens por aglomerados

residen

E A QUALIDADE DAS ÁGUAS PLUVIAIS

nagem que,

agindo

da urbanização, não

As alternativas de infi favorecer os processos hidrológicos

a urbanização (infiltração, i o a reconstituição

das condições de pré-ocupação. Essas estrutu s da urbanização na fonte,

ou seja, antes que a água atinja a rede de drenagem.

O modelo permite inserir fontes pontuais de poluição, como por exemplo, despejos oriundos dos

esgotos cloacais. No caso estudado, ao longo do arroio existem diversas ligações diretas de

ticos. Uma vez estimadas estas cargas, elas podem ser important

almente, nos trechos críticos onde o arroio é confi

ciais.

4 DRENAGEM URBANA E RESÍDUOS SÓLIDOS

5 MEDIDAS COMPENSATÓRIAS

5.1.1 ESTRUTURAS DE CONTROLE NA FONTE

Os processos de controle de quantidade e qualidade da drenagem pluvial serão avaliados a partir

do monitoramento de protótipos experimentais, buscando avaliar o efeito de estruturas de controle na

fonte sobre a qualidade das águas pluviais nas condições de clima e solo de Porto Alegre. Estas

estruturas compõem o grupo de soluções alternativas, compensatórias ou ambientais de dre

em conjunto com as estruturas convencionais, procuram compensar sistematicamente os efeitos

só em termos quantitativos, mas também em termos qualitativos.

ltração, detenção e retenção procuram

alterados durante nterceptação, amortecimento), objetivand

ras buscam compensar os efeito



Neste trabalho, será dada ênfase a est le do escoamento

superficial através da infiltração. As estrut a inuição das vazões

máximas, funcionando como reservatórios de na redução do escoamento

superficial, filtrando as águas da drenagem. Estas podem ajudar também na remoção e no controle de

ento sup s subterrâneas. São, portanto,

estruturas que recuperam de forma mais efetiva as condições de pré-ocupação.

Dentre as principais estruturas de con o para o

to superficial, pode os

• Pavimentos permeáveis;

• Trincheiras da infiltração

• Valas permeáveis.

Além das técnicas citadas acima, também serão avaliados dispositivos de aproveitamento da

da chuva e ecotelhados ou telhados verdes ou o princípio da infiltração

da águ

ir, são descritos os dispositivos experimentais que serão avaliados.

Segundo Tucci e Genz (1995), pavimentos permeáveis são um tipo especial de pavimento onde a

pavimentos podem ser de concreto, de asfalto ou blocos,

nstituído de um

estacio

do, numa metade o revestimento de asfalto pré-

ruturas que têm como princípio o contro

ur s de infiltração além de atuarem na dim

amortecimento, também atuam

poluentes do escoam erficial bem como na recarga das água

trole na fonte que utilizam o principio da infiltraçã

controle do escoamen m citar:

;

água vivos. Embora não utilizem

a no solo estes dispositivos também são considerados como práticas de controle do escoamento

superficial, contribuindo para a atenuação do escoamento superficial provenientes dos eventos

extremos. Além disso, reduzem a concentração e carga de muitos poluentes, tais como sólidos

suspensos, nitrogênio, fósforo e metais pesados encontrados no escoamento da água de drenagem.

A segu

Pavimentos Permeáveis

característica principal é porosidade. Estes

construído na mesma forma de pavimentos tradicionais.

Os pavimentos permeáveis podem substituir os pavimentos convencionais em áreas de

estacionamentos e em áreas com baixo tráfico.

Estas estruturas também são conhecidas como estruturas reservatórios, pois são constituídos de

uma matriz porosa que permite a infiltração da água. Além da retenção da água os pavimentos

permeáveis podem filtrar alguns poluentes (Andrade Filho; Széliga ; Szesz, 2000; EPA, 1999).

O pavimento permeável construído consiste em um módulo experimental co

namento com pavimento permeável de reservatório de brita, que será monitorado para avaliação

desses dispositivos no controle dos excessos pluviais (Acioli, 2005).

A obra consta de um lote de estacionamento do IPH/UFRGS com aproximadamente 280 m2, que

foi dividido em duas partes iguais, onde foi utiliza



misturado a frio com granulometria aberta e, na outra metade, o revestimento com blocos vazados

intertravados concreto tipo “S”. Neste experimento também há diversos dispositivos de monitoramento

equipados data-loggers. Na Figura 25 (Fonte: Acioli, 2005) pode-se observar a foto do dispositivo

experimental, com suas principais dimensões e equipamentos instalados para coleta de dados.

Figura 25 – Pavimento permeável instalado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas/UFRGS

o comprimento prepondera sobre a largura

(Azzout; Barraud; Cres ; Alfakid, 1994; Balades ; Trincat, 1998).

ldenfum e Souza (2001). Ela foi construída no

IPH/UFRGS, como três módulos

paralelepípedos de 450 m

bservar a trincheira de infiltração

instalada no IPH/UFRGS.

Trincheiras de Infiltração As trincheiras de infiltração (trincheiras de percolação ou trincheiras drenantes) são estruturas

que funcionam com um reservatório de água, por um tempo suficiente que permita a infiltração. Um das

características desta estrutura é suas dimensões. Nesta

A trincheira a ser utilizada é descrita em Go

separados, interconectados por registros em sua parte inferior,

permitindo a simulação de diferentes configurações de funcionamento. Cada módulo apresenta 3,0 m de

comprimento, por 0,8 m de largura e 1,0 m de profundidade, e ela drena uma área de estacionamento em 2. Um poço de monitoramento, projetado para medir o nível d’água a partir de

sensores piezométricos, foi instalado em cada módulo. Essa trincheira foi preenchida com brita e

envelopada por uma manta de geotextil. Na Figura 26 pode-se o



A medição da contribuição do escoamento superficial para trincheira é efetuada através de um

sensor automático de pressão instalado no vertedor calibrado, imediatamente a montante dos

dispositivos. Os níveis d’água dentro das trincheiras são registrados simultaneamente com os dados de

contribuição de escoamento superficial, por sensor piezométrico instalado em poço de observação,

dentro do dispositivo.

Um pluviógrafo de cuba basculante, localizado próximos às trincheira, fornece dados de chuva,

permitindo o cálculo dos coeficientes de escoamento e também provendo informação para a verificação

dos erros de medição nos valores de contribuição de escoamento superficial para cada trincheira.

Fi .

e precipitação, escoamento superficial e nível d’água nas trincheiras são

armaze

meabilização e drenagem adequadas.

dispositivo composto por quatro módulos de 1 m2 cada. Dois módulos

simulam um telhado e os outros dois simulam um terraço. Neste experimento um módulo de telhado e

gura 26 – Trincheira de infiltração instalada no Instituto de Pesquisas Hidráulicas – UFRGS

Os dados registrados d

nados em “data-loggers”, para posterior coleta e análise.

Ecotelhados Os ecotelhados, telhados verdes ou telhados vivos são estruturas que se caracterizam pela

aplicação de cobertura vegetal nas edificações, utilizando imper

Este tipo de estrutura surge como uma nova alternativa de cobertura capaz de proporcionar

várias vantagens sobre as coberturas convencionais, dentre as principais podemos citar:

• diminuição da água de escoamento que seria direcionada ao pluvial;

• aumento da qualidade da água, já que ocorre a fitoremediação através das plantas;

• melhoria nas condições de conforto ambiental das edificações e visual paisagístico;

• proteção do telhado contra a luz solar e grandes flutuações de temperatura, melhorando

assim a vida útil do telhado.

O ecotelhado é um



um mó

ra cada módulo – e quatro sensores que farão a mediação do escoamento

superfi

ça do

ecotelhado. A Figura 27 mostra o ecotelhado construído para o estudo experimental.

dulo de terraço são compostos por ecotelhas. A ecotelha é um conjunto formado pelo substrato

rígido, substrato leve e as plantas. Agrega nutrientes essenciais que proporcionam retenção de água e

drenagem do excedente. A ecotelha já vem plantada e enraizada, pronta para o uso. Cada ecotelha

possui 35 cm de largura, 68 cm de comprimento e 6 cm de espessura. Neste experimento haverá 4

reservatórios – um pa

cial. Em cada módulo será feito um balaço entre precipitação, escoamento superficial para

verificar a eficácia da estruturação na retenção de água. Além disso, o ecotelhado será composto por

sensores de temperatura para comparação de da diferença deste parâmetro com e sem a presen

Figura 27 – Ecotelhado instalado no Instituto de Pesquisas Hidráulicas/UFRGS.

Aproveita e

O a o ole na

fonte, pois i agem

pluvial.

Além d pulosos e com abastecimento de água potável precário, as

águas p

m nto da água da chuva pr veitamento da água da chuva também pode ser considerado uma estrutura de contr

ev ta que água proveniente de telhados e terraços cheguem rapidamente a rede de dren

isso, em centros urbanos po

luviais podem tornar-se uma fonte de utilização, embora esta ocorra, em muitos casos, em áreas

onde a atmosfera é poluída. Assim, a utilização de águas pluviais torna-se atraente nos casos de áreas de



precipitação elevada durante boa parte do ano, áreas com escassez de abastecimento e áreas com alto

custo de extração de água subterrânea.

Para áreas urbanas os usos potenciais são: irrigação de campos de golfe e quadras esportivas,

faixas verdes decorativas ao longo de ruas e estradas, torres de resfriamento, parques e cemitérios,

descarga em toaletes, lavagem de veículos, reserva de incêndio, recreação, construção civil (compactação

do solo, controle de poeira, lavagem de agregados, produção de concreto), limpeza de tubulações,

sistemas decorativos tais como espelhos d’água, chafarizes, fontes luminosas, etc.

O quarto experimento que será monitorado é um sistema de coleta e utilização da água da chuva

em um prédio residencial na cidade de Porto Alegre. Neste empreendimento a água dos telhados

proveniente de eventos chuvosos será captada e armazenada para usos menos nobres. Neste sistema o

escoamento superficial total é conduzido a um tanque de armazenamento, passando antes por um filtro

ou tela para retirada de material mais grosseiro, como folhas. Extravasamentos para o sistema de

drenagem ocorrem apenas quando o tanque está cheio. Neste sistema não haverá a eliminação da

primeira porção d’água coletada (“first flush”). Na Figura 28 podem ser visualizados os reservatórios

utilizados para a captação da água da chuva.

Figura 28 – Reservatório para cole

ta da água da chuva em prédio residencial de Porto Alegre.

Em todos os dispositivos de controle na fonte será feito o monitoramento da qualidade das águas

de drenagem. Amostras de água serão coletas periodicamente e em eventos de chuva. Nas análises da

água serão considerados os diversos parâmetros como: características físicas e químicas.

Na análise dos parâmetros físicos serão considerados: cor, turbidez e sólidos suspensos.



Na análise dos parâmetros químicos, serão considerados: pH, oxigênio dissolvido, DBO, DQO,

fósforo total, ortofosfato, nitrogênio total, amônia, nitrito, nitrato, zinco, cobre, cádmio, ferro, chumbo,

óleos e

reposição

além de obras de reparação para um perf

6 INDICADORES DO MEIO URBANO

graxas.

5.1.2 ATIVIDADES REALIZADAS Foi realizada uma inspeção em todas estruturas para verificação do funcionamento adequado de

cada estrutura e de todos os equipamentos presentes nestes experimentos.

Sendo assim, houve a necessidade de aquisição de alguns equipamentos e materiais de

eito funcionamento de cada estrutura.

Foram adquiridas 8 sondas de profundidade da marca Hytronic para medição de nível. A sondas

danificadas foram substituídas.

No módulo experimental de ecotelhado foi verificado acúmulo de água na superfície que simula

o terraço. Foi feita a manutenção nesta estrutura além da substituição de algumas ecotelhas. Foram

adquiridas 4 bombonas de 200L para reservar a água do escoamento superficial proveniente dos 4

módulos do ecotelhado.



7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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IPE DE TRABALHO EQU

André Silveira (vice-coordenador)

IvaniJoel Goldemfum (pesquisador)

RonnWalte

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ie Araújo (DTI) r Collischonn (pesquisador)


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