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Software para dimensionar sistemas drenantes de baixo impacto sob praças, parques, áreas de lazer ou

vias peatonais Design software for low impact underground drainage systems bellow squares, parks, leisure

areas or pedestrian lanes

Amanda Maria Costa Molina Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana

Mackenzie-UPM, São Paulo, SP, Brasil [email protected]

Helena Junqueira Reis Enout Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana


Ana Lúcia Bragança Pinheiro Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana


Ana Júlia Ferreira Rocha Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana


André Luiz de Lima Reda Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie-UPM, São Paulo, SP, Brasil; Escola de Engenharia Mauá do IMT, São Caetano do Sul, SP

[email protected]

Abstract — This paper proposes low impact drainage systems, namely, permeable pavements and underground flood dampening basins, for mitigating urban floods. To reach this goal, it addresses several theoretical aspects on this field of knowledge and proposes design methods for the two kinds of systems discussed. Also, an Excel spreadsheet was developed to assist the designer of sustainable urban facilities of these two types. A case study for the practical application of the program is shown on a West São Paulo City square. It demonstrates programme applicability by comparing the reduced values of peak flow and built volume resulting by applying each of the two flood dampening methods with those respectively given by simple drainage system designing. Also, a comparison is performed between the dug volumes resulting for each type of non-conventional solution applied to the actual place of the case study. In this practical comparison, the underground reservoir resulted more advantageous.

Keywords— Drainage. Permeable Surfacing. Flood dampening basins. Sustainable Methods.

I. INTRODUÇÃO

Sistemas de drenagem urbana conduzem águas pluviais por redes hidráulicas a destinos adequados para evitar inundações locais. Usam, ainda, equipamentos que armazenam a cheia e, assim, amortecem seu pico. No passado, canalizava-se o fluxo para acelerá-lo para jusante – política questionável por elevar os picos de cheia, o que o próprio processo de urbanização já faz ao impermeabilizar o solo com pisos lisos e retificar cursos d’água. Atendendo a demanda pelo planejamento sustentável das obras urbanas, criou-se nos Estados Unidos, em 1980, o sistema Low Impact Development–LID, resultando obras de drenagem com baixo impacto nocivo que amortecem cheias,

integrando técnicas e soluções de pequena escala, tais como reinstalar pavimentos permeáveis. O Plano Diretor Estratégico de São Paulo segue essa linha ao garantir ...“sustentabilidade, eficiência e boa qualidade urbana e ambiental.” ([7], p. 128).

Propõe-se aqui uma planilha eletrônica para projetar superfícies permeáveis em áreas urbanas abertas, que podem compor a drenagem de praças, parques, áreas de lazer e vias de circulação de pedestres. É aplicada num dimensionamento piloto, avaliando o amortecimento produzido numa enchente no caso de uma praça da cidade de São Paulo. Também é usada para pré-dimensionar outra solução alternativa para a drenagem dessa praça: um microrreservatório de retenção sob parte dela, visando amortecer a enxurrada sobre ela numa tormenta. As duas soluções são comparadas pelos resultados práticos.

II. SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA

O crescimento urbano sem controle causa desequilíbrio na drenagem de bacias hidrográficas. Fatores que contribuem para isto são a supressão de vegetação (que acelera a erosão e as enxurradas) e a gradual impermeabilização do solo, reduzindo a infiltração nele. Essa dupla problemática avoluma muito o escoamento superficial, bem como picos de cheia e inundações urbanas. Para reduzir os impactos da inundação numa parte da bacia hidrográfica, os métodos tradicionais sempre cuidaram de acelerar o fluxo para jusante, transferindo para lá a inundação e suas conseqüências. Para melhorar tal quadro, duas técnicas de drenagem urbana que são soluções de baixo impacto têm sido usadas. Uma é armazenar temporariamente a água drenada em reservatórios de detenção, descarregando-a gradualmente após a chuva – o que amortece picos de enchentes e retarda sua contribuição para os rios receptores, reduzindo vazões de pico

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July 09-12, 2017, Vila Real, PORTUGALDOI 10.14684/SHEWC.17.2017.45-49

nestes. Outra é facilitar a infiltração no solo urbano e promover a entrada e acomodação da água entre suas partículas, reduzindo o volume superficial escoado de imediato – que pode até tornar-se bem baixo, dependendo da estrutura desse solo.

A. Reservatórios de Retenção Reservatórios de detenção (ou “bacias de detenção”) vêm

sendo usados para drenagem urbana. Armazenam água pluvial temporariamente antes que vá aos dutos que levam ao curso d’água receptor, liberando-a após o pico da enchente. Assim, reduzem volumes imediatos da cheia e amortecem picos para valores tolerados pela rede de drenagem. Caso parte da cheia infiltre durante a detenção, ele passa a chamar-se “reservatório de retenção”. Há eventos em que o volume total fica retido.

O reservatório pode ser subterrâneo e receber, por gravidade, água drenada por bocas de lobo para bueiros, valas de infiltração ou outros equipamentos integrados ao sistema de drenagem (pavimento permeável; piso com vegetação; telhado verde). Fica seco até iniciar a chuva e, ao longo dela, a água captada é a ele conduzida e armazenada. Depois, é liberada lentamente por gravidade, após o evento. Há reservatórios onde a gravidade não age sozinha para permitir naturalmente a carga e a descarga, mas têm dispositivos de controle e bombeamento.

B. Pavimentos Permeáveis O pavimento permeável deve ter boa capacidade de

infiltração, reduzir bastante o escoamento superficial e prover recarga do aqüífero, justificando-se. Para Araújo et al. (2000), um problema do piso drenante é a má qualidade da água urbana que acaba infiltrando no aquífero. Segundo a Associação Brasileira de Cimento Portland [2], o pavimento deve ter baixo teor de finos e ordem de vazios próxima de 30%. Sob ele deve haver um colchão (ou “leito”) de agregado graúdo a armazenar o percolado – que depois pode infiltrar devagar no solo ou ser captado pela rede de drenagem. Um exemplo é o piso de blocos vazados assentado com areia sobre uma manta geotêxtil, uma camada de agregado fino e outra de médio, colocadas sobre o leito de brita. A manta retém a areia, sobre ela colocada para fixar os blocos, preencher juntas e formar microrreservatórios que reduzem o volume da vazão superficial, deixando que a água consiga percolar por um tempo as diversas camadas e, enfim, chegar ao agregado graúdo (Figura 1). Os pavimentos permeáveis não suportam muita carga, logo são recomendados só para áreas de tráfego médio e leve [9], tais como passeio, ciclovia e parque, sujeitos a baixas cargas.

No longo prazo, a falta de manutenção do pavimento permeável pode reduzir sua capacidade de infiltração. Além da manutenção preventiva, é fundamental investigar o subsolo em que se apóia, pois a permeabilidade deste e o nível do lençol freático influenciam diretamente a eficiência do piso drenante. Caso essa permeabilidade seja baixa, a água infiltrada no pavimento poderá não percolar bem o subsolo [1]. Deve-se, ainda, escolher um material poroso de granulometria pouco variada, para promover mais permeabilidade. O arranjo dos grãos na sua aplicação no terreno também deve ser de modo a maximizar o índice de vazios das camadas filtrantes, [6].

Fig. 1. Pavimento permeável com blocos modulares e grama (Fonte: [5])

III. ESTUDO DE CASO E DIMENSIONAMENTO

A. Descrição do Caso Estudado – Largo da Batata O Largo da Batata fica em Pinheiros, Zona Oeste de São

Paulo, próximo à Av. Brigadeiro Faria Lima e do rio Pinheiros. Seu potencial para a aplicação do programa aqui desenvolvido vem de apresentar extensa área impermeável vertente para o sistema de drenagem urbana municipal – Figura 2.

Fig. 2. Croqui do Largo da Batata: Situação atual (Fonte: [5])

A partir de levantamento e análise in situ, constatou-se a presença de vários canteiros e gramados com vegetação arbórea baixa e solo pouco permeável, compactado por pisoteamento. Nota-se isto pela água facilmente empoçada. O reservatório de retenção funcionaria com o sistema de captação de água existente no Largo: calhas transversais levam a uma calha longitudinal e um poço central recebe toda a água por ela captada. Após a enxurrada ser vertida no poço, seria conduzida naturalmente ao reservatório por um orifício. A água nele retida percolaria o meio poroso sob sua base, servindo para recarregar aos poucos o aqüífero freático – Figura 3.

B. Estimativa do Escoamento Superficial O cálculo das vazões de entrada no reservatório utilizou o

Método do Soil Conservation Service–SCS. Recomendado para projetos da drenagem de bacias entre cerca de 3 e 250 km², fornece o gráfico do hidrograma [8]. Para dimensionar o volume do reservatório, foi utilizado o Método de Pulz Modificado por Akan [8].

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115,5

9528,67734,7733,33

0,011861472

Velocidadeemsuperfícieplana-áreaimpermeável

Cotadopontomaisbaixo(m)Cotadopontomaisalto(m)

Áreatotaldasuperfícieplanaimpermeável(m²)Distânciaentrecotasmáximaemínima(m)

Declividade(m/m)

115,51685,48734,7733,33

0,01186147Declividade(m/m)

Comprimentoparadeclividade(m)Velocidadeemsuperfícieplana-menosimpermeabilizada

Áreatotaldasuperfícieplanamenosimpermeável(m²)Cotadopontomaisalto(m)Cotadopontomaisbaixo(m)

0,01118268,0776438660,01346274

0,1130,009528670,852097902

733,6734,4

0,00707964698

MétododoSCS

CotadopontomaisaltoDeclividadedabacia(m/m)S

Comprimentodotalvegueprincipal(km):LDuraçãodachuvaunitária(h):DTempodeconcentração(min)tc

ÁreaTotaldabacia(km²):A

NúmeroCN(TABELA)

RelaçãodaáreaimpermeávelcomaÁreaTotalÁreaimpermeáveldabacia(km²)Ai

Cotadopontomaisbaixo

0,080776440,087507810,233645850,26580266

Tempoderetardamento(h):Tempodeascensão(h):Tempodebase(h):Vazãodepico(m³/s):

Tr=

tb=ta.2,67ta=Tr.(D/2)

Qp=2,08.A/ta

0 0 0 00,81 268,1176118 3,60959764 3,609597637 3,609598 1,81,62 256,4852756 6,90598904 3,296391407 3,296391 1,92,42 245,8748621 9,93044786 3,024458814 3,024459 2,13,23 236,1551872 12,7171833 2,786735471 2,786735 2,24,04 227,2167703 15,2948013 2,577617929 2,577618 3,64,85 218,9675046 17,6874152 2,392613944 2,392614 3,35,65 211,3293269 19,9155021 2,228086942 2,228087 3,06,46 204,2356276 21,9965689 2,081066712 2,081067 2,87,27 197,6292148 23,9456762 1,949107364 1,949107 2,68,08 191,4606993 25,7758557 1,830179504 1,83018 2,4

DURAÇÃO(min) i(mm/h)

Pacumulado

(mm)

Incremento(mm)

ORDEMDescre.

Pdoietograma(mm)

Fig. 3. Corte do sistema de captação e reservatório de retenção (Fonte: [5])

A planilha de cálculo tem um setor para o “Método SCS”, que inicia por obter as velocidades em cada trecho de percurso de água no Largo. Primeiro, o projetista insere cota máxima e mínima, nos extremos do trecho, e o comprimento dele (Figura 7). Daí se determina uso do solo, regime de escoamento e, em virtude deles, o coeficiente de permeabilidade da superfície (k) e a velocidade do escoamento superficial – ver Figura 4.

Nas calhas, a velocidade do escoamento é calculada pela Fórmula de Manning, inserindo primeiro as dimensões de cada calha, seu coeficiente de rugosidade de Manning e suas cotas máxima e mínima (Figura 4). Com a velocidade de escoamento já calculada para cada tipo e parte da superfície (permeável ou impermeável), a planilha estima o tempo de concentração no Largo pelo Método Cinemático [3].

Fig. 4. Imagem de tela da planilha: dados para cálculo das velocidades do escoamento nas superfícies planas (Fonte: [5]).

Inserindo na planilha a área total da bacia (A) e o número de curva CN, do método do SCS, obtêm-se os dados para estimar o hidrograma unitário por esse método, mostrados na

Figura 5. Eles são os tempos de retardamento (Tr), de ascensão (ta) e de base (tb) e a vazão de pico unitária (Qp) – Figura 12.

No setor da planilha chamado “Ietograma”, insere-se o período de retorno (T) e, com ele e a equação de chuva intensa regional, pré-inserida na planilha, esta calcula a intensidade de chuva (i) e a altura pluviométrica a cada Δt (Figura 13).

Fig. 5. Imagem de tela: valores de entrada para determinar o HU pelno Método do SCS na planilha (Fonte: [5]).

Fig. 6. Imagem de tela: cálculo da vazão de pico unitária (Fonte: [5]).

Fig. 7. Imagem de tela da planilha: cálculo das alturas de chuva (Fonte: [5]).

Com a Fórmula de Horton, calcula-se altura pluviométrica infiltrada máxima a cada ∆t. Primeiro, o projetista informa tipo de solo, na forma de valores de velocidade de saturação (ks) e capacidades de infiltração inicial e final (fc e fo) – Figura 8.

Fig. 8. Imagem de tela: dados de entrada na Equação de Horton (esq) e cálculo das alturas infiltradas (dir) ∆t a ∆t (Fonte: [5]).

A planilha calcula, inicialmente, altura pluviométrica infiltrada considerando apenas parâmetros do solo -- ver Figura 15. Depois, usa a relação entre área permeável (AP) e área

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3060Diâmetro(m)Profundidade(m)Área(m²)

VOLUMEDORESERVATÓRIO(m³)27,9128039

Dimensõesfinais:611,923047

5

impermeável (AI) (ambas já inseridas na planilha) para estimar novas alturas infiltradas, por ponderação de áreas a cada ∆t [5]. Com as novas alturas infiltradas, estima altura pluviométrica efetiva a cada ∆t (resultados no Gráfico da Figura 9).

Fig. 9. Imagem de tela da planilha: ietograma efetivo de projeto (Fonte: [5])

.

Fig. 10. Imagem de tela: Hidrograma Unitário obtido pela planilha (Fonte: [5]).

A planilha “Hidrogramas” apresenta o hidrograma unitário e o de cheia de projeto, resultante da convolução do primeiro com o ietograma efetivo. O hidrograma unitário é determinado na planilha “Método SCS” e se vê na Figura 10.

C. Estimativa do Escoamento Superficial Um setor da planilha dimensiona o reservatório. Inicia por

curvas “cota-área” e “cota-volume”, aqui estimadas para um reservatório cilíndrico admitindo valores de diâmetro, altura, coeficiente de permeabilidade (k) da camada da base e espessura desta. Com isto se parte para os objetivos seguintes: estimar vazões de saída e volume armazenado no reservatório – ou seja, tentar seu “dimensionamento” partindo das dimensões supostas no início. Vazões de saída e volumes armazenados são encontrados pela planilha ao longo do tempo e comparados com valores admissíveis, pela geometria local (como detalhado em [5]). Se necessário, novo dimensionamento é tentado. O setor “Volume do Reservatório” na planilha estima hidrograma amortecido e volumes reservados, ∆t a ∆t, pelo “Routing Hidrológico” (Método de Pulz). Na Figura 12 estão hidrograma de entrada e de saída – este, significantemente amortecido.

A Figura 13 resume o resultado final do dimensionamento aprovado do reservatório de amortecimento, com as dimensões

que produziram o amortecimento mostrado na Figura 13. O caso mostrado resultou da curva cota-área e outros dados de entrada pré-estabelecidos para dimensionamento.

Fig. 11. Imagem de tela–planilha: Hidrograma de cheia estimado (Fonte: [5]).

Fig. 12. Imagem de tela: hidrogramas - entrada/saída reservatório (Fonte: [5]).

Fig. 13. Imagem de tela: dimensões resultantes para o reservatório (Fonte: [5])

IV. DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO PERMEÁVEL A vazão de pico (Qpico) que sai de uma bacia é estimada

aqui pelo Método Racional, com coeficiente de “run off” (C) obtido por média ponderada com as áreas parciais dos diversos tipos de pavimentos. Neste caso, o lado leste do Largo da Batata recebeu pavimento permeável. A proposta mantém pequenos canteiros existentes, preservando árvores e arbustos neles. As outras sub-áreas seriam transformadas em canteiros permeáveis, aplicando-se vegetação de pastagem, solo permeável e sub-base permeável (Figura 2). Também se prevê cerca de 1429m² de pavimento modular (blocos vazados) sobre brita -- superfície projetada para baixo tráfego pedestre. Na maior parte (restante) do largo se propõe usar blocos intertravados assentados sobre areia grossa.

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11214,15 m²60 min25 anos

223,64 mm/h

0,97661

0,031428,75

0,52124,4

0,713381

734,7733,5115,51,04

4,39

Paraárea≤4km²

PAVIMENTOS PERMEÁVEIS

Áreatotal:A=Duraçãodachuva:t=Tempoderetorno

Subbase BlocointertravadosobreareiagrossaCoeficientede"runoff "

Área(m²)

Intensidademédiadachuva:i=

ÁreasPermeaveis

Áreacomrevestimentotipo1

Coeficientede"runoff "Área(m²)

Áreacomrevestimentotipo3

Áreacomrevestimentotipo2Subbase Blocosvazados

Coeficientemédioponderadode"runoff" :

Cotadopontomaisalto(m)Cotadopontomaisbaixo(m) Tempo de

concentração:Comprimentototal(m)

Subbase PastagemCoeficientede"runoff "

Área(m²)

Declividade(%)

Tempodeconcentração

𝑄𝑝𝑖𝑐𝑜=(𝐶.𝑖.𝐴)/3,60

𝑇r =

C =

Fig. 14. Imagem de tela parcial: Pavimentos Permeáveis (Fonte: [5]).

O dimensionamento do pavimento permeável se inicia por inserir, na planilha, duração da chuva (t), período de retorno (Tr), cotas do ponto mais alto e do mais baixo da área drenada, distâncias entre eles e tipos de revestimento usados. Assim, a planilha calcula o tempo de concentração (tc) com uma equação empírica dada [5] e determina o coeficiente de “run off” médio ponderado. Os valores obtidos são apresentados na Figura 14.

Fig. 15. Imagem de tela: dimensões volumétricas das camadas permeáveis e do reservatório de amortecimento de cheias (Fonte: [5]).

A distribuição temporal da tormenta de projeto para dimensionar o pavimento drenante foi obtida pelo método dos blocos alternados. A escolha das camadas do reservatório granular seguiu o critério de Terzaghi, para preservar a integridade física de cada uma (evitando fuga de material mais fino para os vazios de material mais graúdo abaixo dele). Essa

parte do dimensionamento é detalhada em toda a sua complexidade em [5]. As dimensões medianas dos grãos para cada uma das três camadas e os volumes necessários, resultantes do dimensionamento, são mostrados na Figura 15. O volume total de escavação necessário para reservatórios é a soma do volume de cada camada de filtro com o volume infiltrado e seu resultado é exibido na Figura 29. A planilha indica reservatório armazenando 3060m³ de água pluvial em 611m² de área, sobre 4180m³ escavados para abrigar sua estrutura e borda livre de 1m. A vazão de pico para a rede pública cairia em cerca de 6 a 7%. Por seu turno, o pavimento permeável possibilitaria armazenar apenas 52,6m³ de água no caso de 6781m³ de terra para se instalar blocos e leito poroso, pouco amortecendo a cheia. O reservatório resulta bem mais eficiente que o pavimento poroso, tanto para absorver volume de água por m3 escavado quanto para reduzir vazões de pico.

A planilha eletrônica propôs avanços na técnica de projetar sistemas de drenagem, particularmente os de baixo impacto – reservatório de retenção e pavimento permeável. Usa métodos de cálculo e fórmulas empíricas tradicionais. Aspectos a aperfeiçoar no futuro, para ampliar sua abrangência, são: a) Formulários internos com informações sobre sistemas de baixo impacto consideram os dados no formato de caso estudado. Devem ser tornados mais flexíveis para uso genérico; b) Pode ser preparada para dimensionar outros sistemas de drenagem de baixo impacto, com diferentes concepções; c) O estudo foi executado para São Paulo, com subsolo bem pouco permeável. Numa região de solo bastante poroso, com rápida drenagem subterrânea do leito sob o pavimento permeável, esta alternativa poderia ser muito mais vantajosa.

REFERÊNCIAS

[1] ARAÚJO, P.R.; TUCCI, C.E.M.; GOLDENFUM, J.A. Avaliação da eficiência dos pavimentos permeáveis na redução de escoamento superficial. RBRH: Revista Brasileira de Recursos Hídricos, P.Alegre, v.5, n.3, p.21-9, jul/set. 2000. Dispon, em: <https://www.abrh.org.br/ SGCv3/index.php?PUB=1&ID=44&SUMARIO=643>.Acesso:15/jul/16

[2] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND. Programa Solução para Cidades. Projeto técnico: reservatórios de detenção. 201-. Disp. em:<http://www.solucoesparacidades.com.br/wp-content/uploads/ 2013/09/AF_Reservatorios%20Deten_web.pdf>. Acesso: 10 nov. 2016.

[3] BIDONE, F. R. A.; TUCCI, C. E. M. Microdrenagem. In: Carlos Eduardo Morelli Tucci; Ruben la Laina Porto; Mário Thadeu Leme de Barros (Org). Drenagem urbana. Porto Alegre: ABRH/Editora da Universidade-UFRGS, 1995. Cap.2, p.77-105.

[4] MOLINA, A. M;. C.; ENOUT, H. J. R.. Sistemas de drenagem urbana de baixo impacto voltados a praças, parques, área de lazer e vias peatonais para a mitigação de inundações em centros urbanos. 2017. Trabalho de conclusão de curso em Engenharia Civil, Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 2017, 73p

[5] PIMENTA, C. F. Curso de hidráulica geral. 1.ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara, 1981.

[6] SÃO PAULO. Lei n° 16.050, de 31 de julho de 2014. Plano Diretor Estratégico do Município de São Paulo. São Paulo: Prefeitura do Município de São Paulo, 2014. Disponivel em: http://www.prefeitura. sp.gov.br/cidade/secretarias/upload/chamadas/2014-07-31_-lei_16050_-_plano_diretor_estratgico_1428507821.pdf.Acesso:21/set/16.

[7] TOMAZ, P. Cálculos hidrológicos e hidráulicos para obras municipais. 1.ed. São Paulo: Editora Navegar, 2002.

[8] TUCCI, C. E. M; MARQUES, D. M. L. M.. Avaliação e controle de drenagem. Porto Alegre: Editora da Universidade/UFRGS, 2000. v. 1.

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