tese filipe machado

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de

Drenagem Sustentvel Dissertao apresentada para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Civil na

Especialidade de Hidrulica, Recursos Hdricos e Ambiente

Autor

Filipe Miguel Coelho Machado

Orientador

Jos Alfeu Almeida de S Marques Nuno Eduardo da Cruz Simes

Esta dissertao da exclusiva responsabilidade do seu

autor, no tendo sofrido correes aps a defesa em

provas pblicas. O Departamento de Engenharia Civil da

FCTUC declina qualquer responsabilidade pelo uso da

informao apresentada

Coimbra, 31 de Julho de 2013

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel AGRADECIMENTOS

Filipe Miguel Coelho Machado i

AGRADECIMENTOS

Gostaria de deixar aqui os meus sinceros agradecimentos a todas as pessoas que de uma forma

ou de outra contriburam para a concretizao deste trabalho.

Aos meus orientadores, o Professor Doutor Jos Alfeu Almeida de S Marques e o Professor

Doutor Nuno Eduardo da Cruz Simes, pela orientao, conhecimento transmitido e tempo

despendido para que fossem atingidos os objetivos a que me propus.

Aos meus pais pelo apoio incondicional, pelas condies providenciadas, trabalho e esforo

dedicado durante a minha formao, conselhos ao longo do curso e sobretudo pela pacincia

ao longo de todos estes anos. Aos meus irmos, Alexandre e Maria Francisca, pela

companhia, diverso, apoio e incentivos dirios.

Rita pela cumplicidade, apoio, motivao, pacincia, ajuda e carinho ao longo dos ltimos

anos.

Ao resto da minha famlia, colegas e amigos agradeo o companheirismo, lealdade, confiana

e pelos momentos nicos passados, no s durante a realizao da dissertao, mas durante

toda a vida, sem os quais tornariam este percurso muito mais difcil.

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel RESUMO

Filipe Miguel Coelho Machado ii

RESUMO

A nvel mundial tem-se verificado um crescimento exponencial de reas urbanizadas,

principalmente durante o ltimo sculo. Um dos principais fatores est relacionado com a

mudana no estilo de vida de grande parte da populao. Como se sabe existiu, e ainda existe,

um grande fluxo de pessoas a mudar-se de zonas rurais para as cidades, esta mudana levou a

um aumento e crescimento das reas urbanas.

Esse aumento est diretamente relacionado com o aumento da rea de solo impermevel,

porque a construo de edifcios, infraestruturas e vias de comunicao numa cidade leva

impermeabilizao do solo, que aliado s constantes alteraes climatricas poder levar a um

aumento da ocorrncia de inundaes nas cidades.

No sentido de contrariar a ocorrncia de inundaes tm surgido novos conceitos que visam

fugir aos mtodos adotados at ao passado recente, que contemplavam essencialmente o

aumento dos elementos das redes de drenagem. Deste modo surgem os Sistemas Urbanos de

Drenagem Sustentvel (SUDS), medidas que tm como objetivo tornar o escoamento de

guas pluviais nas cidades o mais parecido possvel com o escoamento em meio natural.

Este trabalho teve como objetivo modelar um sistema de drenagem dual 1D/1D da bacia da

zona central da cidade de Coimbra, recorrendo ao software SWMM. O modelo serviu para

que fosse possvel serem efetuados estudos onde fossem implementados SUDS, mais

precisamente bacias de reteno, com o objetivo de avaliar os vrios cenrios propostos para

resoluo do problema existente. O problema prende-se com a ocorrncia de inundaes na

Praa 8 de Maio, sem que a rede de coletores entre em carga, havendo por isso, grandes

quantidades de gua superfcie.

Apresenta-se neste trabalho uma metodologia que permite modelar sistemas de drenagem dual

no SWMM, controlando, o caudal entre caminhos superficiais e a rede de coletores.

Foram tambm avaliados diversos cenrios, variando a localizao, nmero e volume das

bacias de reteno, onde se mostra que a implementao de bacias de reteno pode

minimizar o problema das inundaes, mas a escolha da sua localizao e volume de

armazenamento tm um papel fundamental.

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel ABSTRACT

Filipe Miguel Coelho Machado iii

ABSTRACT

All over the world there has been an enormous growth of urban areas. One of the main

factors is related to changes in the lifestyle of the population. A large flux of people moving

from rural areas to cities, led to a growth of urban areas.

This change make the soil more impervious soil, because the construction of building,

infrastructures and roads. The growth of impervious areas together with climate changes

could lead to an increased occurrence of floods in cities.

In order to decrease the occurrence of floods new concepts have emerged. Traditional

methods mainly focused in construction of greater elements of drainage networks. New

strategies are emerging: The Urban Systems Sustainable Drainage (SUDS) aim to make the

runoff in cities as close as possible to the flow in the natural environment.

The goal of this work is to model a urban catchment with a 1D1D dual drainage system dual

1D/1D; model the flow between the sewer system and the overland system; implement

retention basins and analyze its locations, volume and costs, all this using SWMM software.

This work presents a methodology to model a urban catchment with a 1D1D dual drainage

system, controlling the interaction between the sewer system and the overland system.

Retention basin where implemented and several scenarios were also evaluated. It was shown

that the retention basins may solve the existing flood problem, but its location and volume

have an important role.

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel NDICE

Filipe Miguel Coelho Machado iv

NDICE

1 Introduo ....................................................................................................................................... 1

1.1 Enquadramento....................................................................................................................... 1

1.2 Objetivos ................................................................................................................................. 1

1.3 Estrutura da tese ..................................................................................................................... 2

2 Reviso Bibliogrfica ....................................................................................................................... 4

2.1 Introduo ............................................................................................................................... 4

2.2 Drenagem Urbana ................................................................................................................... 4

2.3 Impactos da Urbanizao ........................................................................................................ 7

2.4 Inundaes urbanas .............................................................................................................. 10

2.5 Modelao hidrulica/hidrolgica ........................................................................................ 12

2.5.1 Enquadramento ............................................................................................................. 12

2.5.2 Modelos fisicamente baseados ..................................................................................... 14

2.5.3 Precipitao ................................................................................................................... 15

2.5.4 Modelos Hidrolgicos .................................................................................................... 16

2.5.5 Modelos Hidrulicos ...................................................................................................... 19

2.6 SWMM ................................................................................................................................... 25

2.7 Drenagem urbana e Sistemas de Informao Geogrfica (SIG) ............................................ 26

2.7.1 Introduo ..................................................................................................................... 26

2.7.2 Modelos digitais do terreno .......................................................................................... 27

2.7.3 Gerao de redes de escoamento superficiais ............................................................. 27

2.8 SUDS ...................................................................................................................................... 30

2.8.1 Enquadramento ............................................................................................................. 30

2.8.2 Tipos de SUDS mais comuns.......................................................................................... 31

2.8.3 Bacias de Reteno........................................................................................................ 33

2.9 Tendncia para as cidades futuras ........................................................................................ 35

3 Caso de estudo / Metodologia ...................................................................................................... 37

3.1 Caso de Estudo ...................................................................................................................... 37

3.2 Metodologia .......................................................................................................................... 39

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel NDICE

Filipe Miguel Coelho Machado v

3.2.1 Introduo ..................................................................................................................... 39

3.2.2 Precipitao ................................................................................................................... 39

3.2.3 Rede de drenagem dual ................................................................................................ 40

3.2.4 Quantificao de custos das bacias ............................................................................... 41

4 Exemplos de Aplicao .................................................................................................................. 44

4.1 Preparao do Modelo de Drenagem Dual ........................................................................... 44

4.2 Modelo utilizado ................................................................................................................... 45

4.3 Caso de estudo Bacia da zona central de Coimbra ............................................................ 52

4.3.1 Introduo ..................................................................................................................... 52

4.3.2 Implementao da bacia num modelo de drenagem dual ........................................... 54

4.3.3 Solues implementadas .............................................................................................. 55

4.3.4 Resultados ..................................................................................................................... 56

4.3.5 Anlise de resultados .................................................................................................... 64

4.3.6 Observaes sobre simulaes de sistemas de drenagem dual e bacias de reteno no

SWMM 65

5 Concluses e Trabalhos Futuros.................................................................................................... 69

5.1 Concluses............................................................................................................................. 69

5.2 Trabalhos Futuros.................................................................................................................. 70

Referncias Bibliogrficas ..................................................................................................................... 72

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel NDICE DE QUADROS

Filipe Miguel Coelho Machado vi

NDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Galeria do sistema de esgotos romano (thehistoryblog@ 2013) ....................................... 5

Figura 2.2 - a) Drenagem Natural, b) Drenagem Urbana (Lima et al. 2013) ........................................... 7

Figura 2.3 Evoluo percentual do destino das guas pluviais com o aumento da urbanizao de um

determinado local (Shaw et al. 2011) ..................................................................................................... 8

Figura 2.4 - Hidrograma: natural, aps a construo da urbanizao e aps as medidas corretivas

(Lima et al. 2013) ..................................................................................................................................... 9

Figura 2.5 Cheia fluvial no Rio Mondego, Coimbra (bela@ 2013) ..................................................... 10

Figura 2.6 Cheias causadas pelo mau tempo em Sorriso, Brasil (camarasorriso@ 2013) ................. 11

Figura 2.7 Inundao costeira em Scituate, Estados Unidos da Amrica (gazettenet@ 2013) ......... 11

Figura 2.8 Relao entre vrias fases no modelamento hidrolgico e hidrulico (adaptado de Mark

et al. (2004)) .......................................................................................................................................... 14

Figura 2.9 Curvas tempo-rea para trs tipos de geometria de bacia (Leito et al. 2008) ................ 17

Figura 2.10 Princpio da sobreposio aplicado a hidrogramas unitrios (Leito et al. 2008) .......... 18

Figura 2.11 Mtodo hidrolgico utilizado pelo SWMM (adaptado do manual SWMM (2013)) ........ 18

Figura 2.12 Modelo de sub-bacia utilizada no SWMM (adaptado de SWMM (2013)) ...................... 19

Figura 2.13 Campo de aplicao das equaes de Saint-Venant e respetivas simplificaes

(adaptado de Maksimovic (1996)) ........................................................................................................ 22

Figura 2.14 - Fenda de Preissmann (Butler e Davis 2011) ..................................................................... 23

Figura 2.15 - Drenagem dual (Lima et al. 2013) .................................................................................... 24

Figura 2.16 Rede superficial 1D e rede superficial 1D-1D com o caminho superficial gerado pelo

AOFD ..................................................................................................................................................... 28

Figura 2.17 - Canais e zonas de acumulao de gua (Leito et al. 2008) ............................................ 29

Figura 2.18 Esquema simplificado dos passos para obteno de uma rede de drenagem dual

(adaptado de Adeyemo (2007)) ............................................................................................................ 30

Figura 2.19 - Objetivos dos SUDS (Balmforth et al. 2006)..................................................................... 31

Figura 2.20 Bacia de reteno a cu aberto de Melun-Snart, Frana (STU 1994) ........................... 33

Figura 2.21 Bacia de reteno subterrnea em Porto Alegre, Brasil (foto de Simes, N.) ................ 34

Figura 2.22 - Transformao das cidades em WSC (adaptado de Brown et al. (2009)) ........................ 36

Figura 3.1 Localizao da cidade de Coimbra, Portugal (fonte: Google Earth) .................................. 37

Figura 3.2 - Modelo digital da zona de estudo com pormenor da zona onde ocorrem cheias com

maior frequncia (Simes et al. 2010) .................................................................................................. 38

Figura 3.3 - Vista rea sobre a bacia em estudo (coimbraantiga@ 2013) ............................................ 39

Figura 3.4 Mtodo dos blocos alternados para Tr = 100 anos ........................................................... 40

Figura 3.5 Relao Largura-Volume de beto necessrio para diferentes alturas das bacias ........... 42

Figura 3.6 Relao Volume de beto necessrio-Custo da bacia ....................................................... 42

Figura 4.1 Praa 8 de Maio 09/06/2006 (Simes et al. 2010) ......................................................... 44

Figura 4.2 Praa 8 de Maio 21/09/2008 (Simes et al. 2010) ......................................................... 44


Filipe Miguel Coelho Machado vii

Figura 4.3 Modelo criado inicialmente no SWMM ............................................................................ 46

Figura 4.4 Resultados obtidos para o modelo inicial ......................................................................... 46

Figura 4.5 Separao por meio de outlets do sistema superficial e de coletores .......................... 47

Figura 4.6 - Grfico representativo dos pontos utilizados da curva de entrada de caudal .................. 48

Figura 4.7 Resultados para o modelo simplificado aps introduo da curva de controlo nos

outlets ................................................................................................................................................ 48

Figura 4.8 Verificao da subida de caudal atravs da insero de outlets para esse efeito ............ 49

Figura 4.9 Resultados aps introduo de outlet de sada com sistema em carga ........................ 49

Figura 4.10 Modelo simplificado final ................................................................................................ 50

Figura 4.11 Vista em planta de uma parcela de rede com as alteraes finais ................................. 50

Figura 4.12 Caudal superfcie, junto Praa 8 de Maio com Tr = 5, 20 e 100 anos ........................ 51

Figura 4.13 - Caudal superfcie, junto Praa da Repblica com Tr = 5 anos .................................... 52

Figura 4.14 Vista rea dos locais onde as bacias sero implementadas: A Praa da Repblica; B

Estacionamento em frente ao Mercado Municipal e locais onde foram implementadas sondas

numricas para leituras de resultados .................................................................................................. 53

Figura 4.15 Caudal registado nos coletores (214.1 + 213.1) da Rua Loureno de Azevedo .............. 57

Figura 4.16 - Caudal registado nos coletores (124.1) da Rua Almeida Garrett ..................................... 57

Figura 4.17 - Caudal registado nos coletores (129.1) da Rua Alexandre Herculano ............................. 58

Figura 4.18 - Caudal registado superfcie (212.A) da Rua Loureno de Azevedo ............................... 58

Figura 4.19 - Caudal registado superfcie (129.A) na Rua Alexandre Herculano................................ 59

Figura 4.20 - Caudal registado nos coletores (138.1 + 1_536.1) da Av. S da Bandeira imediatamente

aps a Praa da Repblica ..................................................................................................................... 59

Figura 4.21 - Caudal registado superfcie (138.A + PON_2047.A) da Av. S da Bandeira

imediatamente aps a Praa da Repblica ........................................................................................... 60

Figura 4.22 - Caudal registado nos coletores (308.1) da Av. S da Bandeira, pr Estacionamento do

Mercado ................................................................................................................................................ 61

Figura 4.23 - Caudal registado superfcie (340.A) na Av. S da Bandeira, pr Estacionamento do

Mercado ................................................................................................................................................ 61

Figura 4.24 - Caudal registado nos coletores (516.1) da Av. S da Bandeira, ps Estacionamento do

Mercado ................................................................................................................................................ 62

Figura 4.25 - Caudal registado superfcie (588.A) na Av. S da Bandeira, ps Estacionamento do

Mercado ................................................................................................................................................ 62

Figura 4.26 - Caudal registado nos coletores (517.1 + 588.1) da Praa 8 de Maio ............................... 63

Figura 4.27 - Caudal registado superfcie (1_677.A) na Praa 8 de Maio .......................................... 63

Figura 4.28 Esquema representativo das simulaes efetuadas ....................................................... 66

Figura 4.29 Altura de gua superfcie a montante da bacia de reteno no modelo simplificado . 67

Figura 4.30 Caudal registado superfcie a montante da bacia de reteno no modelo simplificado

............................................................................................................................................................... 67


Filipe Miguel Coelho Machado viii

NDICE DE QUADROS

Quadro 2.1 SUDS mais comuns (adaptado de Woods-Ballard et al. (2006)) ..................................... 32

Quadro 4.1 Quadro-resumo das caractersticas das bacias de reteno aplicadas a cada soluo .. 56

Quadro 4.2 reas drenantes para cada uma das bacias .................................................................... 56

Quadro 4.3 Estimativa do custo para cada soluo ........................................................................... 65

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel 1 INTRODUO

Filipe Miguel Coelho Machado 1

1 INTRODUOEQUATION CHAPTER 1 SECTION 1

1.1 Enquadramento

Desde o final do sculo XVIII tem-se registado um aumento exponencial da populao

mundial, que aliada tendncia para a procura de estabilidade nas grandes cidades tem levado

a um grande crescimento dos centros urbanos (Crossette e Kollodge 2011).

Em paralelo com o crescimento urbano, est tambm o aumento de problemas inerentes

ocupao do territrio de forma pouco ordenada. O aumento de reas impermeveis est

intimamente relacionado com o aumento de escoamento superficial resultante de uma

chuvada e, consequentemente, leva a um aumento do caudal de ponta de cheia

comparativamente a zonas com reas permeveis (Lima et al. 2013).

Estes problemas levaram ao estudo de novas solues.

Durante vrios anos optou-se pelo aumento das dimenses dos elementos de drenagem do

escoamento gerado durante uma precipitao. Mas, com o constante crescimento das cidades,

esta soluo poder no ser a melhor opo, como explica Balmforth et al. (2006). Verificou-

se que no era de todo sustentvel aumentar a capacidade de escoamento de uma determinada

rede indefinidamente. Por essa razo, comeou a abordar-se o problema de forma diferente.

Nasce ento o conceito de sistemas urbanos de drenagem sustentvel, esta ideia consiste em

aplicar s cidades alteraes que permitam o escoamento com comportamento semelhante ao

ocorrido no meio natural.

No sentido de testar e avaliar intervenes que possibilitem uma melhor performance dos

sistemas de drenagem de um determinado local necessrio recorrer a modelos

hidrulicos/hidrolgicos. E, desse modo, obter resultados que permitam uma correta

avaliao.

1.2 Objetivos

O aumento do nmero de inundaes registadas em todo o mundo mostra a vulnerabilidade

dos ambientes urbanos s condies hidrolgicas extremas. Este incremento do nmero de

cheias resulta de uma conjugao de fatores onde so parte ativa as alteraes climticas e o

crescimento dos meios urbanos.

Como foi dito anteriormente, o aumento dos elementos das redes existentes deixa de ser

eficiente e vivel a partir de determinada dimenso.



Os sistemas urbanos de drenagem sustentvel cujo princpio de funcionamento consiste na

mimetizao do ciclo hidrolgico natural, permitem resolver as limitaes das redes de

drenagem. Este conceito, relativamente recente, utiliza tcnicas inovadoras como a construo

de pavimentos permeveis, canais abertos com vegetao, bacias de reteno, entre outros

elementos. Todas estas alteraes tm como objetivo atenuar os picos de cheia, diminuir o

risco de cheias e reduzir a concentrao de poluentes das guas da chuva nas reas urbanas.

O principal objetivo deste trabalho foi estudar o impacto da construo de bacias de reteno

na bacia central da Cidade de Coimbra, nomeadamente a localizao, nmero de bacias e

custo. De modo a atingir este objetivo, outros tiveram de ser concretizados: Modelar a bacia

com um sistema de drenagem dual 1D-1D com o SWMM a controlar a interao entre o

sistema superficial e o sistema de coletores.

Como se ir verificar posteriormente, o estudo ir incidir sobre a avaliao de vrios cenrios,

tendo em conta aspetos, tais como a previso dos custos das operaes a realizar e danos

evitveis, o comportamento hidrulico para cada soluo e a sua possvel utilidade para alm

da preveno de inundaes.

1.3 Estrutura da tese

No primeiro captulo apresenta-se o enquadramento da dissertao, os objetivos e a estrutura

da tese.

No segundo captulo da dissertao faz-se a apresentao do tema geral, onde elaborado um

breve resumo histrico acerca dos meios de drenagem, bem como a evoluo registada at aos

dias de hoje. Posto isto, sero abordados os principais problemas da drenagem urbana e os

efeitos desta no escoamento das guas pluviais. De seguida so abordados os modelos

hidrolgicos e hidrulicos existentes, assim como os tipos de comportamento admitidos pelos

modelos para sistemas em carga e drenagem dual. feita tambm uma breve introduo ao

software que se vai utilizar. O passo seguinte consistiu em dar a conhecer algumas das

solues sustentveis existentes, com especial nfase a bacias de reteno, pois sero os

elementos a utilizar no desenvolvimento da presente dissertao.

No terceiro captulo aborda-se o local onde sero feitos os estudos e os mtodos utilizados

para obteno do modelo.

No quarto captulo apresenta-se os desenvolvimentos para a obteno do modelo final

utilizado, cenrios avaliados e respetivos resultados, foi tambm feita uma anlise a

instabilidades do software.



Para finalizar, no quinto captulo, sero apresentadas concluses e observaes sobre o

trabalho realizado e ser feita uma abordagem acerca das potencialidades do mesmo em

aplicaes futuras.

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel 2 REVISO BIBLIOGRFICA


2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Introduo

Os problemas associados a inundaes j existem h milhares de anos. No entanto, graas ao

aumento da urbanizao tem aumentado o risco de ocorrncia destas.

Sero abordados conceitos base para uma melhor compreenso e contextualizao dos temas

estudados na presente dissertao. A clarificao de conceitos relativos drenagem urbana,

impactos da urbanizao, modelos hidrolgicos e hidrulicos existentes, sistemas em carga,

drenagem dual, o software utilizado, sistemas urbanos de drenagem sustentvel e tendncias

futuras para as cidades, servir para obtermos uma melhor perceo do estudo desenvolvido

nesta dissertao.

2.2 Drenagem Urbana

A gua esteve, est e estar sempre presente no quotidiano das populaes. Historicamente a

necessidade de controlar o seu curso surge quando comeam a aparecer as primeiras

civilizaes durante o segundo milnio antes de Cristo. Segundo Burian e Edwards (2002) foi

nesta poca que se comeou a olhar para a gua como um bem vital e pela primeira vez foi

posta a possibilidade da existncia de inundaes bem como as preocupaes relativamente

qualidade da gua. Os registos arqueolgicos mostram que os primeiros sinais de drenagem

existentes foram encontrados nas civilizaes da Mesopotmia, Minica e Grega.

Os primeiros elementos relacionados com a drenagem quer de gua residual, quer de gua

pluvial construdos por estas populaes foram sistemas simples de esgotos a cu aberto.

nesta poca que comea a existir uma preocupao relativa ao aproveitamento da gua pluvial

como recurso de gua potvel e foi tambm nesta altura que apareceu a ideia de utilizar a gua

como meio de transporte para matria residual (Burian e Edwards 2002).

A grande evoluo tecnolgica da drenagem urbana deu-se durante a poca da civilizao

Romana. Os romanos foram a nica civilizao em toda a Europa e sia ocidental a construir

uma rede de estradas cuidadosamente planeada e com um sistema de drenagem adequado,

desde a antiguidade at ao sculo XVIII (Hill 1984). Nesta poca foram construdas as

primeiras redes de drenagem, tanto a cu aberto como cobertas. Foi explorada em maior

escala a utilizao de gua pluvial j armazenada com vista a uso local, foram criados

aquedutos para transporte de gua para as ruas da cidade e banhos pblicos, segundo Hodge

(1992), foi tambm construda uma rede de esgotos com escoamento permanente que permitia



populao livrar-se dos resduos para longe das zonas habitacionais (Figura 2.1).

Concluindo, foram os Romanos os primeiros a estabelecer um ciclo de gua urbano ligando o

abastecimento e a drenagem da gua (Burian e Edwards 2002).

Figura 2.1 Galeria do sistema de esgotos romano (thehistoryblog@ 2013)

No que diz respeito ao desenvolvimento tecnolgico, aps um longo perodo de estagnao,

foi no incio do sculo XVIII que se comearam a registar novos desenvolvimentos na

construo de redes de drenagem urbana. Na Amrica do Norte foram construdos sistemas de

drenagem de grande escala, redes de esgotos subterrneas, e houve uma preocupao na

drenagem das vias de comunicao terrestres. Nesta poca, os materiais usados foram a

madeira, o tijolo e a pedra. Comea assim o esboo elementar das redes de drenagem urbana

que viriam a ser padronizadas no futuro (Burian e Edwards 2002).

As prticas utilizadas na Amrica do Norte eram similares s existentes na Europa. No

entanto, foi no incio do sculo seguinte que se iniciou a drenagem urbana com base em

muitos parmetros que se mantm nos dias de hoje. Os principais desenvolvimentos

registados na drenagem urbana nos Estados Unidos durante os sculos XIX e XX foram

sintetizados por Burian et al. (1999) em nove categorias:

Aperfeioamento dos materiais das condutas, mtodos de construo e nas prticas

de manuteno;

Utilizao da gua no sistema de transporte e remoo de resduos;

Sistema de esgotos bem projetado e completo;

Sistemas separativos versus sistemas unitrios;



Identificao de doenas transmitidas pela gua;

Introduo de tratamentos a guas residuais;

Avanos no estudo em hidrologia urbana;

Avanos computacionais;

Preocupao ambiental.

Uma vez apresentadas as diretrizes sobre as quais a drenagem urbana evoluiu, sabido que

essa transformao se deu devido a fatores como: as constantes inovaes tecnolgicas,

mudana de mentalidade em relao importncia do saneamento, avanos nas ferramentas

de clculo, evoluo computacional, monotorizao da quantidade e qualidade das guas

drenadas, preocupaes ambientais, de sade pblica e de risco de inundao e a novas

tcnicas de construo e planeamento. Em jeito de concluso, a drenagem urbana

acompanhou e continua a acompanhar a rpida evoluo da poca onde est inserida (Burian

e Edwards 2002).

Atualmente a drenagem responsvel por garantir em condies apropriadas a recolha,

transporte e rejeio nos meios recetores das guas residuais domsticas, comerciais,

industriais e guas pluviais (Lima et al. 2013). A presente dissertao ir focar-se na

drenagem de guas pluviais.

As guas pluviais necessitam de drenagem quando a precipitao se d sobre reas

urbanizadas, o que torna extremamente importante garantir um bom sistema de drenagem.

Um mau planeamento poder levar a consequncias graves para as populaes, tornando mais

frequente o aparecimento de cheias e com isto sujeitar a populao a problemas sanitrios e a

perda de bens materiais. Estes inconvenientes levam a prejuzos econmicos elevados e, em

casos mais graves, pode mesmo existir a perda de vidas humanas, como indicam os autores

Butler e Davis (2011) e Lima et al. (2013).

A atividade humana em qualquer regio leva a uma alterao profunda da morfologia do

terreno e de esperar que tenha grande influncia na drenagem local. O percurso da gua em

meio natural ou urbanizado completamente diferente, como possvel observar na Figura

2.2.



Figura 2.2 - a) Drenagem Natural, b) Drenagem Urbana (Lima et al. 2013)

Com o aumento dos consumos de gua por parte da populao e com o crescimento dos

grandes centros urbanos procura-se, atualmente, que as solues sejam vantajosas quer em

termos econmicos quer a nvel ambiental.

Resumindo e seguindo a linha de pensamento de Lima et al. (2013), atualmente a drenagem

urbana tem como objetivos: A reduo de reas inundadas, a proteo do trfego rodovirio e

pedestre, a reduo de gastos com manuteno das vias pblicas e reas adjacentes

permeveis e impermeveis, o escoamento das guas superficiais, a eliminao de guas

estagnadas, o abaixamento do nvel fretico, a reduo da eroso hdrica do solo, permitir o

reaproveitamento da gua pluvial e o aumento da resistncia do solo em zonas verdes.

2.3 Impactos da Urbanizao

Na natureza a gua pluvial segue vrios rumos: Parte infiltra-se no solo, parte escoada

superfcie e uma percentagem regressa atmosfera, quer por evaporao, quer por

transpirao. Como de esperar, a urbanizao tem grande influncia em todos os

mecanismos naturais de recolha de guas da chuva, como sugerem os autores Butler e Davis

(2011) e Shaw et al. (2011).

A urbanizao leva a um aumento considervel da rea impermevel, originando um aumento

do caudal de gua superficial. Com o aumento dos grandes centros urbanos, tanto a nvel de

rea, como a nvel de populao, torna-se imperial possuir uma rede de drenagem eficaz e

com as devidas ferramentas de apoio ao escoamento feito pela rede com o intuito de reduzir a

frequncia e a grandeza das inundaes. A Figura 2.3 quantifica a evoluo do destino das

guas pluviais durante o crescimento urbano de um dado local.



Figura 2.3 Evoluo percentual do destino das guas pluviais com o aumento da urbanizao de um determinado local (Shaw et al. 2011)

A alterao da superfcie ir levar a uma diminuio do caudal infiltrado e,

consequentemente, a um aumento do caudal superfcie. Isto leva a um aumento considervel

da rapidez com que a mesma quantidade de gua escoada chega ao destino final para locais

urbanizados. Este facto, aliado a falhas no funcionamento da rede, como por exemplo o sub-

dimensionamento dos rgos de entrada de caudal ou a entrada em carga dos sistemas de

escoamento subterrneo, leva ao aumento do caudal de ponta de cheia e diminuio do

tempo que esse caudal demora a ser atingido, percebendo-se assim o aumento do risco de

inundaes. Na Figura 2.3 notria a evoluo do caudal gerado superfcie num local com

drenagem natural e em locais com drenagem urbana.

Outro problema, proveniente da urbanizao o aumento da poluio e sedimentos, que pode

provocar um deficiente funcionamento nos elementos que compem a rede de drenagem e

consequentemente levar descida da qualidade das guas dos rios e das linhas de gua.

Os problemas que acompanham o aumento da urbanizao levaram a uma mudana de atitude

por parte de quem gere e projeta as redes de drenagem urbana. At h bem pouco tempo, a

prioridade era esconder a gua o mais rpido possvel, isto , encaminhar a gua para as

redes de drenagem. O aumento dos caudais fez com que se tivesse de repensar em novas



abordagens. Nascem assim vrios conceitos relacionados com um plano geral que trata a

criao ou adaptao de sistemas, tornando-os em sistemas urbanos de drenagem sustentveis,

SUDS.

Os principais objetivos dos SUDS, segundo Butler e Parkinson (1997), so:

Manuteno eficaz da sade pblica;

Preveno de inundaes;

Preveno da degradao/poluio da gua, solo e ar;

A minimizao da utilizao de recursos naturais;

A garantia de adaptao a cenrios ainda no conhecidos;

As medidas a tomar tm de ter viabilidade econmica e aceitao social.

Caso se cumpram estes objetivos na sua totalidade ou parte deles, a performance das redes de

drenagem nos grandes centros urbanos pode melhorar significativamente. Quando a

implementao destes conceitos for feita corretamente, pode mesmo ser possvel transformar

o hidrograma do comportamento da gua ps-urbanizao num hidrograma com aspeto

natural como possvel observar na Figura 2.4.

Figura 2.4 Hidrograma: Natural, aps a construo da urbanizao e aps as medidas corretivas (Lima et al. 2013)

Fica claro que o impacto da urbanizao altera o curso natural da gua, sujeita a populao a

problemas com prejuzos a vrios nveis e que necessrio, um correto dimensionamento do

sistema de drenagem e um comportamento responsvel de todos os intervenientes, para que a



resoluo, ainda que parcial, dos problemas causados pela urbanizao na drenagem de guas

pluviais seja cada vez mais eficiente.

2.4 Inundaes urbanas

As inundaes urbanas acontecem quando num dado intervalo de tempo existe uma

quantidade de gua superfcie fora do normal e que por qualquer razo, esta gua no entra

na rede de drenagem, causando problemas para as populaes locais. A gua pode surgir

superfcie por diversos motivos: Acontecimentos climatricos fora do comum, a rede de

coletores entrar em carga, obstruo dos rgos de entrada de gua na rede de drenagem,

eventos naturais no previstos, entre outros. O aparecimento de inundaes em reas

urbanizadas pode ser assim qualificado consoante a sua origem, como explica Estells (2010):

Inundao fluvial: Este tipo de inundao acontece quando as margens do rio so

galgadas pela gua que corre no mesmo, sendo que a gua tem tendncia para

permanecer em zonas planas perto do leito do rio. Pode visualizar-se um exemplo

de inundao fluvial na Figura 2.5.

Figura 2.5 Cheia fluvial no Rio Mondego, Coimbra (bela@ 2013)

Inundao pluvial: De causa pluvial, pode acontecer aps chuvadas extremas onde

a rede de drenagem, por razes de incapacidade ou deficincia na entrada de gua

no sistema, no permite um escoamento eficaz, levando dessa maneira existncia



de gua superfcie. Na Figura 2.6 pode ver-se um dos muitos problemas causados

por este tipo de cheias.

Figura 2.6 Cheias causadas pelo mau tempo em Sorriso, Brasil (camarasorriso@ 2013)

Inundaes costeiras: Este tipo de inundaes acontece quando o nvel do mar

sobe de tal maneira que tem capacidade para atingir reas urbanizadas, na Figura

2.7 possvel observar um caso onde o mar chega a atingir habitaes.

Figura 2.7 Inundao costeira em Scituate, Estados Unidos da Amrica (gazettenet@ 2013)



O tipo de inundaes que ir ser estudado neste trabalho o de origem pluvial. Este tipo de

inundaes causa inmeros problemas s populaes, que podem ir desde danos integridade

fsica e psicolgica das populaes, danos nas infraestruturas e bens da comunidade,

transtornos no trfego, bem como danos indiretos, como por exemplo a impossibilidade de

assistncia mdica urgente. Todos estes problemas tm um custo a contabilizar quando se

quantificam os danos causados por uma inundao. Segundo Konig et al. (2002), podem ser

considerados trs tipos de danos causados pelas inundaes:

Dano direto: Geralmente danos materiais;

Dano indireto: Perturbaes no trfego, custos adicionais a nvel administrativo ou

de trabalho, perdas de produo, entre outros;

Danos sociais: Danos psicolgicos de longo termo para a populao, como a perda

de valor das propriedades em zonas mais frequentemente afetadas pelas

inundaes ou atrasos no desenvolvimento econmico dessas zonas.

Apesar de estarem bem definidos os tipos de danos existentes e de cada vez mais se

conseguirem fazer previses sobre os mesmos, ainda difcil ou mesmo impossvel estimar os

custos reais de uma determinada cheia.

2.5 Modelao hidrulica/hidrolgica

2.5.1 Enquadramento

Os modelos so usados com o intuito de simular situaes reais e o seu uso facilita o

entendimento humano sobre determinados tpicos de estudo, oferecendo a hiptese de teste

sobre vrios cenrios, o que permite obter explicaes e tomar decises sobre os resultados

obtidos. Um bom modelo deve ser o mais simples e coerente possvel, deve possibilitar a

previso de vrios cenrios e a informao deve surgir de uma forma clara e intuitiva, para

permitir uma fcil leitura e interpretao dos dados obtidos, como indicam Tucci (1998) e S

Marques et al. (2013).

Relativamente rea de drenagem urbana, podem ser encontrados dois tipos de modelos: os

que servem para testar o comportamento hidrulico e hidrolgico dos sistemas de drenagem

de guas pluviais e os modelos de qualidade da gua nos sistemas. No presente trabalho sero

abordados aqueles que permitem simular os comportamentos da rede a nvel hidrolgico e

hidrulico. Atualmente, a principal funcionalidade dos modelos utilizados a de simular

comportamentos de redes j existentes ou analisar projetos futuros, avaliar o correto ou

incorreto dimensionamento das redes, possveis respostas do sistema a vrias alteraes e

formas de melhorar o sistema/projeto.



Segundo Tucci (1998) os modelos podem ser classificados consoante a abordagem utilizada

como:

Contnuos ou discretos: Nos contnuos, os fenmenos como o prprio nome indica,

so contnuos no tempo, j nos discretos as mudanas de estado do-se em

intervalos no contnuos;

Concetuais ou empricos: Nos concetuais as funes utilizadas na elaborao do

modelo tm em considerao processos fsicos, no caso de se usarem modelos

empricos os valores calculados so ajustados aos valores observados sem que

exista influncia dos processos fsicos envolvidos;

Concentrados ou distribudos: Sendo que para os concentrados a variabilidade

espacial no levada em conta e nos distribudos as variveis e parmetros do

modelo dependem do espao e/ou tempo;

Estocsticos ou determinsticos: Nos modelos estocsticos, para diversas

simulaes, o programa gera diferentes outputs para o mesmo input. No caso dos

determinsticos, o resultado gerado constante para o mesmo input, independente

do nmero de simulaes.

A abordagem mais utilizada nos modelos hidrulicos , regra geral, do tipo determinstico.

Este tipo de modelo utilizado pela sua simplificao no tratamento da informao imposta

pelo utilizador. Outra caracterstica deste modelo que no tem em considerao fatores de

aleatoriedade, permitindo assim a obteno de um nico resultado ao invs de uma gama de

resultados. O uso deste tipo de modelo implica um profundo conhecimento do seu

funcionamento, leis em se baseia e as simplificaes por ele realizadas, de modo a que se

consiga ter um espirito crtico em relao aos resultados obtidos.

Na elaborao de modelos duais de redes drenagem urbana, como ilustra a Figura 2.8, so

necessrios inmeros dados para que se possa fazer um modelo minimamente real. Nestes

modelos existe uma componente referente a aspetos hidrolgicos e outra a componentes

hidrulicos. O modelo hidrolgico responsvel pela simplificao do ciclo hidrolgico ou de

qualquer uma das suas componentes, com o objetivo de estimar a quantidade de gua gerada

para um determinado acontecimento. O modelo hidrolgico, como se pode ver na Figura 2.8,

trata da obteno do hidrograma de escoamento. Para que isso seja possvel cruza informao

relativa chuvada que se pretende simular, rea de captao, isto , o local onde ocorrer a

chuvada e tem em considerao informao relativa ocupao do terreno, reas permeveis

e impermeveis. O modelo hidrulico corresponde forma como a gua gerada pelo modelo

hidrolgico escoa ao longo da rede atravs dos elementos que a compem. Como possvel

observar no esquema da Figura 2.8, o modelo hidrulico pode ser dividido em duas reas:

Superficial e rede de coletores, o superficial responsvel por simular como a gua se



propaga superfcie e, com isso, tem em considerao caminhos superficiais, zonas de

acumulao de gua e os nveis de gua nesses elementos. Relativamente rede de coletores,

o modelo tem elementos que simulam as caixas de visita, sumidouros e sarjetas que servem

para encaminhar a gua superficial para elementos correspondentes s condutas da rede.

Figura 2.8 Relao entre vrias fases no modelamento hidrolgico e hidrulico (adaptado de Mark et al. (2004))

Nos subcaptulos seguintes ser feita abordagem mais extensa para cada um dos modelos

apresentados.

2.5.2 Modelos fisicamente baseados

Como j foi referido anteriormente, os modelos hidrolgicos/hidrulicos so, regra geral, do

tipo determinstico, e segundo Estells (2010), estes podem ser:

Modelos empricos: J apresentados no subcaptulo 2.5.1;

Modelos fisicamente baseados: Podem existir um ou mais processos descritos, que

envolvem leis fsicas, onde os parmetros tm um significado fsico e so

mensurveis.

Os modelos fisicamente baseados so os mais utilizados para simulaes de sistemas de

drenagem de guas pluviais, como explica Adeyemo (2007), estes simulam as transforaes

que ocorrem ao longo da bacia, com base nas suas caractersticas, leis fsicas e tendo em conta

todo o tipo de elementos existentes.

Mo

delo

da

red

e

de

co

leto

res

ColetoresEscoamento na rede de

coletores

Nivel de descarga

da gua

Mo

delo

Hid

ru

lico

Mo

delo

da

sup

erf

icie

Ruas

Escoamento superficial

e zonas de acumulao

de gua

Nvel de gua e

niveis de inundao

Caixa de

visita

Sumidouro

/Sargeta

Caixa de

visita

Sumidouro/

Sargeta

Mo

delo

s

Hid

rol

gic

os

Chuvada rea de captao rea impermeavel

Hidrograma de

escoamento



Em modelos fisicamente baseado existem fases, que so consideradas essenciais, para a sua

correta elaborao. Segundo Adeyemo (2007), aps o conhecimento dos dados relativos

chuvada a aplicar ao modelo deve-se proceder :

Modelao do terreno. Na modelao do terreno elaborado um modelo digital do

terreno onde so aplicados mtodos para calcular as zonas de armazenamento de

gua, intercees e infiltrao. Esta anlise feita com base na ocupao,

topografia, tipo de solo, entre outras caractersticas do terreno;

Diviso da bacia, ou seja, dividir a bacia principal em vrias sub-bacias. Com isto

possvel saber o detalhe com que se trabalha a bacia em estudo. Uma maior

diviso leva a um maior detalhe e, consequentemente, a resultados mais prximos

da realidade;

Escoamento nas sub-bacias. Nesta fase utilizado um mtodo que transforme a

chuva em escoamento superficial. Uma grande diferena entre os modelos

fisicamente baseados e os modelos conceptuais reside no facto de para os modelos

fisicamente baseados, para alm das equaes de continuidade, so tambm

utilizadas equaes dinmicas no escoamento;

Escoamento nas condutas. Uma percentagem do escoamento superficial entra na

rede de coletores atravs de ns, que ligam os caminhos superficiais rede

subterrnea. necessrio existir um cadastro da rede, caractersticas das condutas

como o comprimento, dimetro, seco, material, cotas dos ns, para uma correta

modelao da rede de coletores. Para o escoamento nestes elementos, inmeras

tcnicas podem ser utilizadas.

Apesar de teoricamente se conhecer o funcionamento destes modelos, a verdade que os

resultados obtidos por eles dependem de inmeros fatores, desde simplificaes feitas por

cada um dos softwares at aos erros no trajeto do escoamento.

2.5.3 Precipitao

Este trabalho retrata cenrios onde a gua surge superfcie atravs de acontecimentos

meteorolgicos sob a forma de precipitao, especificamente chuva. Por essa razo

importante conhecer as diversas caractersticas da mesma.

A durao de uma certa chuvada o tempo que ocorre entre o incio e o fim de precipitao e

como indica Dunkerley (2008) para estudos que englobem modelos hidrolgicos necessrio

informao precisa e clara acerca dos eventos que se pretendem analisar.

Outro dado importante numa chuvada o seu volume. A intensidade de uma chuvada o

volume de gua precipitada por unidade de tempo.



importante referir que a intensidade de uma chuvada varia durante a mesma. Por essa razo

constroem-se histogramas que representam a intensidade da chuvada num determinado

intervalo de tempo. A intensidade tambm no pode ser considerada constante espacialmente,

isto , varia consoante fatores como a topografia e centro da chuvada.

A obteno de dados sobre as chuvadas de extrema importncia quando se trabalha com

modelos cujo objetivo estudar o comportamento de sistemas de drenagem num determinado

local. No software utilizado, o Storm Water Management Model, SWMM, a introduo da

precipitao feita introduzindo dados relativos intensidade da chuvada registada em

determinados espaos temporais.

2.5.4 Modelos Hidrolgicos

Os modelos hidrolgicos so utilizados como instrumentos cuja funo trata da compreenso

do funcionamento de uma bacia hidrogrfica (Tucci 1998). O escoamento produzido pela

precipitao depende de fatores hidrolgicos como: a durao da chuvada, a sua intensidade,

perdas e infiltraes.

Segundo Leito et al. (2008) os modelos hidrolgicos mais utilizados so os seguintes:

Mtodo Racional;

Mtodo Curva-Tempo;

Hidrograma Unitrio;

Modelos de Reservatrio.

O mtodo racional o mais utilizado pela comunidade hidrulica para a estimativa do caudal

de ponta de cheia para bacias hidrogrficas de pequena dimenso (S Marques e Sousa 2009).

As bacias para a aplicao deste mtodo devem ter no mximo 25 km2.

Neste mtodo a precipitao transformada em caudal quando a chuvada tem intensidade

constante e considerada sobre toda a rea da bacia. Esta situao verificada quando a

durao da chuvada superior ao tempo de concentrao, podendo o caudal resultante ser

obtido pela seguinte equao (2.1):

Qs = C i A (2.1)

Em que:

Qs Caudal escoado superficialmente

C Coeficiente de escoamento

i Intensidade da chuvada



A rea de Drenagem

As limitaes na utilizao deste mtodo esto relacionadas com as simplificaes feitas nos

diferentes fatores que influenciam o caudal resultante. Por exemplo: Aceitar que a

precipitao no varia a longo do tempo e do espao, considerar a relao linear na

transformao da precipitao em escoamento e admitir que o caudal de ponta de cheia s

ocorre quando toda a bacia est a contribuir para o escoamento so algumas das

simplificaes apontadas por S Marques e Sousa (2009) para possveis erros aquando a

utilizao do mtodo racional.

O mtodo da curva tempo-rea considera que o volume do escoamento superficial

influenciado por trs fatores: Perdas iniciais, rea da bacia e perda hidrolgica continua. O

tempo de concentrao da bacia e a curva tempo-rea controlam o hidrograma do escoamento,

sendo que a curva tempo-rea traduz a forma da bacia. Os trs formatos mais comuns para a

geometria das bacias, como sugerem Leito et al. (2008), so os apresentados na Figura 2.9.

Figura 2.9 Curvas tempo-rea para trs tipos de geometria de bacia (Leito et al. 2008)

Leito et al. (2008) explica que nas diferentes fases de clculo o volume de escoamento

acumulado numa determinada parcela da rede movido para a parcela seguinte a jusante,

dessa forma o volume total existente em cada parcela obtido com recurso a um equilbrio

entre o volume que chega, o gerado e o de sada dessa parcela. O volume que sai da ltima

parcela da bacia representa o hidrograma do escoamento superficial da bacia.

O mtodo de hidrograma unitrio define um hidrograma resultante do escoamento gerado por

uma precipitao til sobre uma bacia, em que para eventos com durao igual usado o

hidrograma unitrio com variao linear para diferentes intensidades, este modelo utiliza

simplificaes como intensidades constantes, a precipitao distribuda de forma uniforme

na bacia, considerada a sobreposio de hidrogramas resultantes de perodos de precipitao

til contnuos e/ou isolados, ver Figura 2.10, e para uma determinada bacia o hidrograma

resultante traduz as condies constantes da bacia.



Figura 2.10 Princpio da sobreposio aplicado a hidrogramas unitrios (Leito et al. 2008)

Nos modelos de reservatrio apenas considerada a lei de conservao da massa e como no

tida em conta a equao da conservao da quantidade de movimento a resposta da bacia

considerada instantnea. Neste modelo a bacia tem um comportamento de um reservatrio,

como o prprio nome indica e tambm importante referir que para este modelo o caudal que

sai est relacionado linearmente com o volume de armazenamento (Leito et al. 2008).

No SWMM o modelo hidrolgico utilizado admite as sub-bacias como elementos de reserva

de gua no lineares. O caudal resultante de cada sub-bacia calculado atravs de um balano

hdrico e hidrulico, onde a gua que entra provm da precipitao e sub-bacias a montante e

a sada de gua inclui infiltraes, evaporao e escoamento superficial, como ilustra a Figura

2.11. A capacidade de armazenamento da sub-bacia est relacionada com a sua configurao,

onde se incluem zonas de acumulao de gua e capacidade de escoamento superficial.

Figura 2.11 Mtodo hidrolgico utilizado pelo SWMM (adaptado do manual SWMM (2013))

No SWMM as bacias so representadas com uma largura e comprimentos definidos, sendo

que a rea da bacia est dividida em zona impermevel e permevel como possvel

visualizar na Figura 2.12.



Figura 2.12 Modelo de sub-bacia utilizada no SWMM (adaptado de SWMM (2013))

2.5.5 Modelos Hidrulicos

Os modelos hidrulicos simulam o comportamento da gua proveniente da precipitao na

bacia e na rede, compreende os processos hidrulicos da gua e as interaes fsicas com o

local.

As leis matemticas que servem de suporte a estes modelos tm origem na integrao vertical

das equaes de Navier-Stokes. Na integrao das equaes de Navier-Stokes considera-se:

A componente da velocidade e acelerao do eixo vertical desprezvel;

A presso hidrosttica;

O fundo com baixa inclinao;

Admite-se que a velocidade horizontal constante na vertical;

Considera-se de uma forma conjunta os resultados dos efeitos da turbulncia e das

tenses tangenciais.

Aplicando estas condies resultam as equaes de Saint-Venant, como explica S Marques et

al. (2013).

Consoante o tipo de escoamento que se pretende simular necessrio avaliar a necessidade de

se usar modelos unidimensionais ou bidimensionais. Os modelos unidimensionais, 1D, so

usados quando se pretende avaliar o escoamento em coletores, canais ou em seces com uma

direo predominante e dimenso bem definidas. As equaes de Saint-Venant para o modelo

1D, (2.2) e (2.3), permitem determinar a altura e caudal mdio do escoamento numa dada

seco, e so descritas da seguinte forma (Lima et al. 2013):



0A Q

t x

(2.2)

2

0

1 1f

Q Q hg g S S

A t A x A x

(2.3)

Onde:

A rea molhada;

Q caudal;

t tempo;

h altura do escoamento;

x direo do escoamento;

g acelerao gravtica;

S0 declive do canal;

Sf funo do atrito.

Quando por outro lado, se tem a necessidade de avaliar comportamentos onde existe a

possibilidade de escoamento superficial multidirecional, tm de ser utilizadas as equaes de

Saint-Venant para modelos 2D ((2.4), (2.5) e (2.6)):

0h hu hv

t x y

(2.4)

2 2 01

2x fx

uhhu gh huv gh S S

t x y

(2.5)

2 2 01

2y fy

vhhuv hv gh gh S S

t x x

(2.6)

Onde:

u velocidade na direo x;

v velocidade na direo y;

x direo principal do escoamento;

y direo do escoamento perpendicular a x;

S0x declive do canal na direo x;

S0y declive do canal na direo y;



Sfx funo do atrito na direo x;

Sfy funo do atrito na direo y.

As equaes gerais de Saint-Venant, para os modelos 1D e 2D nem sempre so utilizadas de

forma integral. Existem simplificaes passiveis de serem feitas, mediante o tipo de

simulao/aplicao pretendida. As equaes simplificadas resultam para regimes

permanentes, modelos de onda difusa, de onda cinemtica e de onda dinmica.

Para regimes permanentes as variaes ao longo do tempo no so tidas em conta, resultando

assim as equaes simplificadas ((2.7) e (2.8)):

0Q

x

(2.7)

2

0

1f

Q hg g S S

A x A x

(2.8)

Nos restantes modelos mencionadas so consideradas variaes ao longo do tempo mas a

conservao da massa mantida, logo a equao (2.9) comum a todos os modelos:

0A Q

t x

(2.9)

O que difere entre os vrios modelos a equao da conservao da quantidade de

movimento. Como possvel observar na equao (2.10) para o modelo de onda cinemtica

so desprezados os termos de acelerao e inrcia e apenas se considera o declive e atrito, na

onda difusa (2.11) desprezada a acelerao local e convectiva, e para a onda dinmica (2.12)

considerada a equao completa.

0 0fg S S (2.10)

0 0fh

g g S Sx

(2.11)

2

0

1 10f

Q Q hg g S S

A t A x A x

(2.12)

O campo de aplicao das equaes de Saint-Venant e respetivas simplificaes pode ser

observado na Figura 2.13 (Maksimovic 1996). O grfico da Figura 2.13 apresenta os

resultados em funo do nmero geomtrico (G*) (2.13) e nmero de Froude (F*) (2.14),

sendo que estes parmetros so adimensionais, como indica Leito (2009):

*

e

hG

qS

i

(2.13)



*q

Fh gh

(2.14)

Em que:

q caudal afluente de percurso;

ie intensidade de precipitao til;

h altura de gua;

g acelerao da gravidade;

S declive do canal.

Figura 2.13 Campo de aplicao das equaes de Saint-Venant e respetivas simplificaes (adaptado de Maksimovic (1996))

2.5.5.1 Sistemas em Carga

Por vezes, devido excessiva precipitao, um dado sistema pode atingir a capacidade

mxima dos coletores, tornando-o num sistema sob presso. Para este caso necessrio

aplicar o conceito de fenda de Preissmann (Butler e Davis 2011). Isto acontece porque as

equaes de Saint-Venant so aplicadas para escoamentos em superfcie livre e em situaes

onde os coletores entrem em carga o escoamento sob presso.

Este conceito admite que quando atingida a capacidade mxima de um coletor considerada

uma abertura imaginria na sua parte superior, fenda de Preissmann (Figura 2.14), permitindo

o escoamento em superfcie livre na conduta e desse modo simular o escoamento sob presso.



Figura 2.14 - Fenda de Preissmann (Butler e Davis 2011)

Uma vez registado este fenmeno sinonimo que o coletor est em carga, logo existe a

possibilidade de o aparecimento de gua superfcie.

A gua superfcie leva a problemas relacionados com inundaes e para um estudo

quantitativo do impacto das mesmas foi necessrio recorrer a novas ferramentas na modelao

de redes de drenagem. Nos anos 90 comeou ento o cruzamento de dados geogrficos com

os modelos de drenagem, que levaram ao desenvolvimento da drenagem dual (Butler e Davis

2011).

2.5.5.2 Drenagem dual

A drenagem dual representa os dois tipos de sistemas existentes num sistema urbano de

drenagem pluvial, o major e o minor (S Marques et al. 2013). O sistema major

representa os caminhos superficiais do terreno, desde ruas, zonas baixas, canais naturais ou

artificias, entre outros elementos. O sistema minor representa a rede de coletores. Na Figura

2.15 possvel observar, num esquema representativo, a distino feita entre o sistema

major e minor.



Figura 2.15 - Drenagem dual (Lima et al. 2013)

Conforme sintetizam S Marques et al. (2013) a drenagem dual pode ter dois tipos de

abordagens distintas, a 1D-1D e a 1D-2D. As duas abordagens seguem o mesmo modelo

unidimensional para representar o escoamento na rede de coletores, sendo que a diferena

reside no facto de uma assumir o escoamento superficial como unidimensional, 1D-1D, e a

outra representar a superfcie do terreno como bidimensional, tornando-o assim num modelo

1D-2D.

No modelo 1D-1D a superfcie do terreno ir ser representada por canais e zonas de

acumulao de gua (sistema major) que, por sua vez, est ligado ao sistema de coletores

(sistema minor). Os dois sistemas interagem por orifcios que representam os elementos de

entrada e sada de gua dos coletores existentes na rede (Maksimovic et al. 2009). A diferena

na abordagem 1D-2D reside no tratamento dado ao modelo do terreno que, como j foi

referido anteriormente, considerado um modelo bidimensional. Leito et al. (2012) dizem-

nos que o modelo do terreno caraterizado por malhas onde todos os pontos esto definidos

num sistema de coordenadas (X, Y e Z).

Ambos os modelos tm vantagens e desvantagens, a opo por um ou por outro tem em conta

vrios fatores:

No caso do modelo 1D-1D os modelos so mais leves para os softwares e em situaes onde

necessrio correr inmeras simulaes levam grande vantagem sobre os modelos 1D-2D

explicam Allitt et al. (2009). Contudo apenas devem ser aplicados a casos onde a topografia

do terreno seja favorvel simulao 1D-1D, isto , locais onde existam linhas de escoamento

bem definidas.



O modelo 1D-2D considerado mais realista pois as superfcies de escoamento no so

limitadas como nos modelos 1D-1D. Isto permite uma visualizao mais clara dos resultados

e estes podem ser demonstrados num mapa o que no acontece num modelo unidimensional,

onde os resultados esto sujeitos a tratamento, tornando a elaborao de mapas de risco e

inundao mais fcil. Estes modelos so mais utilizados quando a superfcie no delimita de

uma forma exata o percurso da gua pluvial, por exemplo, em reas planas. So tambm

muito requeridos quando se pretende simular eventos extremos onde grande parte da

superfcie est coberta por gua (Allitt et al. 2009).

2.6 SWMM

No desenvolvimento desta dissertao, o software utilizado foi o EPA Storm Water

Management Model, SWMM. Este software existe desde 1971 e desde ento tem sofrido

inmeras atualizaes no sentido de ser melhorado, a verso 5.0.022 foi a ltima a ser

disponibilizada e data do ano 2011. O SWMM um modelo dinmico usado para eventos

singulares ou de longo termo em reas urbanas. O programa composto pelos dois tipos de

modelos necessrios simulao para o presente caso de estudo, modelo hidrolgico e

hidrulico.

O escoamento gerado atravs da chuvada criada sob vrias sub-bacias e simula o

escoamento da gua atravs de um sistema de canais, dispositivos de tratamento ou

armazenamento, redes de coletores, bombas e elementos reguladores na rede at ao destino

final. possvel obter no SWMM dados relativos ao volume gerado em cada sub-bacia,

caudais, altura do escoamento e qualidade da gua em cada coletor ou canal.

Uma das ferramentas mais teis do SWMM, para o presente trabalho, a possibilidade de

simular o comportamento hidrulico das redes de drenagem, com a introduo de elementos

criando, desse modo, diferentes cenrios para a rede em estudo.

O SWMM enuncia uma srie de aplicaes bastante comuns na sua utilizao, como por

exemplo:

Dimensionar bacias de reteno para o controlo de cheias e qualidade da gua;

Projetar e dimensionar componentes de um sistema de drenagem para controlo de

cheias;

Mapeamento dos sistemas de canais naturais de escoamento superficial;

Avaliar o impacto da infiltrao e de caudais nos coletores.

Das aplicaes anteriores a que diz respeito ao dimensionamento de bacias de reteno a

que est mais prxima dos objetivos do presente trabalho.



O SWMM permite ao utilizador escolher entre trs modelos para a simulao do escoamento:

regime permanente, onda cinemtica e onda dinmica.

O modelo de regime permanente bastante simples, para cada intervalo de tempo o

escoamento uniforme e permanente.

O modelo de onda cinemtica simula a variao espacial e temporal do escoamento numa

conduta. Este modelo no tem em considerao curvas de regolfo, logo apenas pode ser

utilizado para condutas com inclinaes positivas.

O modelo dinmico o nico que tem em considerao as equaes de Saint-Venant sem

simplificaes, fornece ao utilizador o nvel da gua no ns e no escoamento ao longo das

condutas e pode ser utilizado em qualquer tipo de rede.

2.7 Drenagem urbana e Sistemas de Informao Geogrfica (SIG)

2.7.1 Introduo

A drenagem dual e os Sistemas de Informao Geogrfica, SIG, so duas reas de estudo que

se podem complementar. Esta relao de tal forma evidente que hoje em dia os SIG

constituem uma ferramenta importantssima na hidrulica e hidrologia. Os SIG so

ferramentas que permitem armazenar, gerir e analisar informao georreferenciada relativa ao

espao e fenmenos que ocorram no mesmo. Segundo Leito (2009) os SIG exploram trs

conceitos a nvel cientfico:

Simplificao no processo de criao de mapas;

Ajudar a relacionar diferentes fenmenos no espao, permitindo novos

desenvolvimentos em inmeras reas;

Serve como base a novos conceitos matemticos.

A capacidade para analisar caractersticas complexas do terreno permitiu nos ltimos anos

elaborar inmeros projetos e modelos com base nos SIG (Estells 2010). Uma rea muito

explorada pela hidrulica quando se conjugam SIG com ferramentas de anlise da superfcie

do terreno, permitindo a criao de modelos digitais do terreno, redes superficiais de

escoamento, informao acerca dos declives, orientaes geogrficas, elaborao de

diferentes mapas para uma determinada zona, entre outros elementos muito uteis em modelos

com caminhos superficiais.



2.7.2 Modelos digitais do terreno

Na modelao 1D-1D necessrio um modelo digital do terreno. Este tipo de modelos pode

ser obtido atravs da tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging), uma tcnica que

comeou a ser utilizada nos anos 90 (Leito 2009). Com recurso a um transporte areo

utilizado um laser para se medir a distncia entre a aeronave e o solo, o que torna possvel

obter as diferentes alturas superfcie, e com isso, obter o modelo digital do terreno, DTM

(Digital Terrain Model). O DTM resultante possui uma preciso vertical entre 10 e 15 cm e

horizontal de 1 m por 1 m.

2.7.3 Gerao de redes de escoamento superficiais

Uma vez obtido o modelo digital do terreno, necessrio proceder-se ao estudo do mesmo

para que possa ser utilizado em modelos. Nesse estudo pode ser utilizada a metodologia de

Delineao Automtica do Escoamento superficial, AOFD (Automatic Overland Flow

Delineation). Uma ferramenta desenvolvida pelo Urban Water Research Group (UWRG) do

Imperial College of London (Maksimovic et al. 2009). O software AOFD analisa

automaticamente o terreno e a sua ocupao criando a rede respetiva, 1D ou 2D conforme o

pretendido. Na Figura 2.16 possvel visualizar uma zona com caminhos superficiais 1D

gerados pelo AOFD em comparao com uma rede apenas composta por coletores.



Figura 2.16 Rede superficial 1D e rede superficial 1D-1D com o caminho superficial gerado pelo AOFD

Maksimovic et al. (2009) indicam que este mtodo pode gerar diferentes tipos de caminhos

superficiais, por exemplo:

Entre duas zonas de acumulao de gua;

Zonas de acumulao de gua e as caixas de visita a jusante;

Zonas de acumulao de gua para sadas de gua da bacia;

Duas zonas de acumulao unidas entre si.



E caso o sistema entre em carga o AOFD consegue representar os caminhos entre uma caixa

de visita:

E a caixa de visita a jusante;

Uma zona de acumulao de gua a jusante;

E sadas de gua da bacia.

Na Figura 2.17 possvel observar o esquema conceptual do modelo criado pelo AOFD. Este

modelo tem de ser ligado rede de coletores existentes de modo a criar a rede final a utilizar.

Figura 2.17 - Canais e zonas de acumulao de gua (Leito et al. 2008)

A rede superficial gerada pelo AOFD, juntamente com a rede de coletores existente,

exportada para o Infoworks, que a par do software SIPSON so os nicos programas para o

qual o AOFD exporta resultados. Como o software utilizado foi o SWMM teve de se adaptar

a rede de modo a que esta pudesse ser utilizada pelo mesmo. Os processos explicados

anteriormente at a elaborao da rede final esto resumidos no esquema da Figura 2.18.



Figura 2.18 Esquema simplificado dos passos para obteno de uma rede de drenagem dual (adaptado de Adeyemo (2007))

2.8 SUDS

2.8.1 Enquadramento

Nos ltimos anos, como j foi referido anteriormente, o aumento das cidades e da populao

levou a que se tivesse de pensar em solues que no inclussem o aumento dos elementos de

recolha e escoamento de guas pluviais. Comeou por se refletir como seria possvel reverter

a situao registada na Figura 2.3, e chegou-se concluso que teria de se reduzir o caudal de

ponta de cheia mximo. Este facto, aliado filosofia j existente de desenvolvimento

sustentvel, levou ao aparecimento dos Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel, SUDS.

Os SUDS aparecem com o intuito de diminuir o escoamento superficial e ao mesmo tempo

favorecer, sempre que possvel, aspetos ambientais (Figura 2.19). O conceito dos SUDS tem

como propsito estabelecer a ligao entre trs reas distintas, onde se pretende minimizar os

efeitos do crescimento da quantidade e m qualidade da gua e, sempre que possvel,

aumentar a comodidade e biodiversidade nas cidades (Balmforth et al. 2006).

Rede de drenagem

dual

Delimitao das

zonas de acumulao

de gua (ponds)

Delimitao dos

caminhos superficiais

Gerar as seces

transversais

Dados da rede

superficial

Preparao dos

dados para o

software a utilizar

Leituras com o

sistema LiDAR

Preparao dos dados

obtidos (DEM)

Introduo dos dados

no software AOFD

Anlise da superficie pelo

AOFD

Dados da rede de

coletores para o

software a utilizar

Rede de coletores

existente



Figura 2.19 - Objetivos dos SUDS (Balmforth et al. 2006)

2.8.2 Tipos de SUDS mais comuns

Existem vrias abordagens possveis para a instalao de SUDS nas cidades. O tipo de SUDS

a aplicar numa determinada zona esto condicionados pelo objetivo a atingir, pelas

caractersticas do local, tipo de construo existente, legislao em vigor, propriedades do

solo, entre outras condicionantes. Os elementos mais utilizados, segundo Woods-Ballard et al.

(2006), esto sintetizados no Quadro 2.1.



Quadro 2.1 SUDS mais comuns (adaptado de Woods-Ballard et al. (2006))

Como possvel verificar, existem diversas solues passveis de serem aplicadas no sentido

de melhorar o comportamento das cidades quando sujeitas a condies hidrolgicas extremas.

No subcaptulo seguinte ser feita uma abordagem mais pormenorizada acerca do mtodo a

utilizar no caso de estudo, bacias de reteno.

Vala

artificial

So canais, relativamente, largos e no muito profundos,

cobertos por vegetao. Esto desenhados para transporte e

armazenamento de escoamento e, consoante o tipo de solo

presente podem permitir infiltrao de gua no solo.

Bacias de

deteno

As bacias de deteno so depresses com superfcie

permevel, onde possvel armazenar gua proveniente da

precipitao. Muitas vezes so parte integrante da esttica e

comodidade paisagstica que um local tem para oferecer.

Bacias de

deteno

extensas

Bacias com maior rea que as bacias de deteno comuns,

retm o escoamento durante um perodo de tempo que pode

ir at 24 horas, levando a uma reduo no pico de descarga.

Bacias de

reteno

Estruturas de armazenamento de gua pluvial. Estas podem ser

a cu aberto ou cobertas e possuir, ou no, gua de uma

forma permanente.

Pntanos

Artificias

A construo de pntanos artificiais leva criao de zonas

inundveis que constituem habitats para animais e plantas.

Trincheiras

de

infiltrao

Geralmente so usadas ao longo de passeios ou caminhos

impermeveis. So compostas por materiais porosos que

permitem a infiltrao das guas provenientes das reas

impermeveis adjacentes.

Superfcies

permeveis

Existem zonas onde pode ser favorvel a adaptao da

superfcie alterando-a para permevel como certos parques de

estacionamento ou passeios onde os solos sejam favorveis

infiltrao de gua.

Telhados

verdes

Consiste em cobrir o topo de um edifcio com vegetao. Tem

de existir um cuidado especial na construo deste tipo de

aplicaes pois necessrio garantir a proteo do edifcio.



2.8.3 Bacias de Reteno

As bacias de reteno, de todos os SUDS apresentados, so os que tm maior relevncia no

presente trabalho.

A principal funo da bacia de reteno, segundo Matias (2006), a de armazenar gua

proveniente da chuva, atuando como reguladora de caudal a jusante da mesma, isto porque

permite a restituio do caudal a jusante consoante os limites da rede existentes. Esta

funcionalidade permite, para situaes onde o caudal mximo admitido pela rede

ultrapassado, escoar caudais mais baixos durante um maior perodo de tempo, reduzindo

assim o risco de inundaes. As bacias podem ter outras funes como:

A contribuio para o melhoramento da qualidade das guas pluviais;

Caso se tratem de bacias com gua de uma forma permanente podem ter interesse

paisagstico, ambiental e tambm no desenvolvimento da biodiversidade do local

onde esto inseridas, principalmente se forem integradas no meio urbano;

Podem tambm constituir reservas para incndios ou para fins de rega.

Existem dois tipos de bacias, a cu aberto, onde pode haver ou no gua de uma forma

permanente, ver Figura 2.20, ou bacias subterrneas, ver Figura 2.21. Sero abordadas com

mais ateno as bacias de reteno subterrneas, pois sero as utilizadas no presente trabalho.

As bacias subterrneas so estruturas, geralmente, construdas em beto armado e o seu uso

mais frequente em locais com elevada densidade urbanstica.

Figura 2.20 Bacia de reteno a cu aberto de Melun-Snart, Frana (STU 1994)



Figura 2.21 Bacia de reteno subterrnea em Porto Alegre, Brasil (cortesia de Simes, N.)

Os elementos constituintes de uma bacia so os seguintes, segundo o Artigo 178 da Seco II

Bacias de reteno do RGSPPDADA:

Corpo da bacia;

Dispositivos de funcionamento normal destinados a assegurarem a regularizao

do caudal efluente e a manuteno de um nvel a montante, caso sejam bacias com

gua de uma forma permanente;

Dipositivos de segurana, entenda-se descarregadores de superfcie e

eventualmente diques fusveis. Estes elementos tm a funo de garantir o

escoamento das guas em condies excecionais;

Descarga de fundo, com o objetivo de assegurar o esvaziamento completo das

bacias para tarefas de limpeza e manuteno. Em certos casos pode tambm

funcionar como sistema de segurana.

O dimensionamento hidrulico de uma bacia de reteno consiste no clculo do volume

necessrio ao armazenamento do caudal afluente. Esse caudal corresponde precipitao para

um determinado perodo de retorno ou a um hidrograma de cheia conhecido, isto porque

necessrio controlar o caudal efluente mximo. Na presente dissertao utilizou-se o mtodo

simplificado no clculo do pr-dimensionamento das bacias. Este mtodo baseia-se no

conhecimento das curvas IDF para a bacia em estudo e permite fazer uma estimativa do

volume necessrio para armazenar o caudal afluente que resulte de uma chuvada com

determinado perodo de retorno, de modo a que o escoamento sada da bacia tenha o valor

da capacidade mxima de vazo da rede a jusante. A expresso (2.15) utilizada para clculo

do volume de armazenamento foi retirada do Artigo 179 do RGSPPDADA:

1

60.10 .

1 1

bbqs qsVa C A

b a b

(2.15)



Onde:

6q

qsCA

(2.16)

Em que:

Va Volume armazenamento, m3;

qs caudal especifico efluente, ou seja, o caudal por unidade de rea ativa da bacia de

drenagem, em milmetros/minuto;

C coeficiente de escoamento;

a, b parmetros da curva intensidade-durao;

q caudal mximo efluente, em metros cbicos/segunda;

A rea da bacia de drenagem, em hectares.

importante referir que a equao (2.15) sofreu uma pequena correo. No regulamento no

existe a multiplicao do qs por 60, mas aps revises feitas noutros trabalhos e como

apresenta Matias (2006) concluiu-se que essa correo teria de ser implementada.

2.9 Tendncia para as cidades futuras

Water Sensitive Cities, WSC, e Blue-Green Dream, BGD, so conceitos recentes que tm

como objetivos principais tornar as cidades sustentveis a nvel hdrico e no s. Uma cidade

sensvel aos recursos hdricos disponveis pode beneficiar largamente com o seu bom

aproveitamento. Algumas ideias gerais dos defensores das WSC so que se deve aumentar e

proteger os cursos de gua e zonas hmidas existentes nas cidades, minimizar o risco de

inundaes, e com isto criar espaos verdes que permitam uma limpeza e reciclagem natural

da gua. Estas medidas tero influncia direta no microclima das cidades, permitindo que

estas se tornem mais agradveis paras populaes e sustentveis a nvel hdrico, pois tm

mecanismos que lhes permitem ter um comportamento semelhante ao de uma bacia natural

(CRC@ 2012). Na Figura 2.22 apresenta-se um esquema ilustrativo do caminho a seguir para

se conseguir chegar at s WSC. O conceito BGD defende que se deva interligar a gua

superficial com espaos verdes previamente pensados no ordenamento do territrio de modo a

diminuir o risco de cheias, basicamente defende a criao de uma rede de espaos verdes ao

longo da cidade que escoe para rios ou ribeiras existentes no local, segundo Skilton (2010).



Figura 2.22 - Transformao das cidades em WSC (adaptado de Brown et al. (2009))

Os SUDS, como de esperar, esto intimamente relacionadas com os conceitos abordados no

presente subcaptulo, mas enquanto os SUDS so vistos como elementos singulares

construdos com o intuito de reduzir o caudal de ponta de cheia de um local, os WSC/BGC

so conceitos muito mais abrangentes e profundos para serem aplicados nas cidades. Estes

conceitos defendem uma cidade onde se d um ciclo hidrolgico completo. Para isto ser

possvel so necessrias medidas para que a populao esteja recetiva a mudar os seus hbitos

de modo a se adaptar a um estilo de vida num local ecologicamente sustentvel, a prpria

indstria ter de ser regulada e estar preparada para respeitar regras impostas e as polticas dos

governos e os planeamentos das cidades tero de se direcionar para objetivos ecologicamente

sustentveis (Wong 2008).

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel 3 CASO DE ESTUDO/METODOLOGIA


3 CASO DE ESTUDO/METODOLOGIA

3.1 Caso de Estudo

A zona de estudo do presente trabalho ir ser a bacia da zona central da cidade de Coimbra,

cidade que se situa na zona centro de Portugal, como possvel verificar na Figura 3.1.

Coimbra capital do distrito e considerada uma cidade universitria, onde dos perto de 150

mil habitantes cerca de 40 mil sero estudantes. A Universidade de Coimbra uma

universidade conhecida mundialmente pela sua tradio no ensino e pela sua histria j longa,

por essas razes entre tantas outras, esta universidade tornou-se recentemente Patrimnio

Mundial.

Figura 3.1 Localizao da cidade de Coimbra, Portugal (fonte: Google Earth)

A nvel topogrfico Coimbra possui caractersticas muito irregulares do terreno, por essa

razo recorrente o aparecimento de inundaes na bacia central da cidade. A bacia tem uma

Modelao Hidrulica de Sistemas Urbanos de Drenagem Sustentvel 3 CASO DE ESTUDO/METODOLOGIA


rea aproximada de 1.5 km2 e descarrega na ribeira de Coselhas, se

tese filipe machado

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