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MANEJO DE ÁGUAS PLUVIAIS ATRAVÉS DE UM SISTEMA DE
BIORRETENÇÃO
Tássia dos AnjosTenório de Melo 1*; Artur Paiva Coutinho 2; Jaime Joaquim da Silva Pereira
Cabral 3
Resumo – As superfícies impermeáveis são muito presentes, principalmente em áreas urbanas. Em
razão disso, o sistema de drenagem urbana tradicional permanece imutável e sobrecarregado.
Sistemas de biorretenção são técnicas que visam compensar os impactos negativos consequentes
dessa expansão impermeável, como o controle quali-quantitativo dos volumes gerados
superficialmente. Este trabalho apresenta um estudo sobre um sistema de biorretenção, avaliando
seu desempenho em situação extrema de funcionamento (saturação), partir das seguintes funções:
retenção na superfície do sistema, considerando a saturação na estrutura e solo adjacente;
armazenamento, considerando a saturação do solo adjacente e; infiltração, apresentando tempo de
encharcamento e lâminas infiltradas e escoadas, quando a intensidade da precipitação superou a
capacidade de infiltração do solo natural. No geral, o sistema de biorretenção apresentou bons
resultados, principalmente para a função de infiltração, onde 100% das alturas precipitadas foram
infiltradas no sistema, enquanto que no solo natural houve escoamento sobre sua superfície. A
função de retenção foi eficiente em 42,86% dos momentos analisados, enquanto que a camada de
armazenamento foi eficiente em 71,43% dos casos.
Palavras-Chave – Manejo de águas pluviais urbanas, técnica compensatória; monitoramento.
RAINWATER MANAGEMENT THROUGH A BIORRETENÇÃO
SYSTEM
Abstract – The impervious surfaces are very present, especially in urban areas. As a result, the
traditional urban drainage system remains unchanged and overwhelmed. Biorretenção systems are
techniques to offset the consequent negative impacts of this waterproof expansion, such as
qualitative and quantitative control of the volumes generated surface. This paper presents a study on
a biorretenção system, evaluating their performance in extreme operating condition (saturation),
from the following functions: retention in the system surface, considering the saturation in the
structure and surrounding soil; storage, considering the saturation of the soil adjacent to and;
infiltration, with time waterlogging and infiltrated blades and disposed, when the intensity of
rainfall exceeded the natural soil infiltration capacity. In general, the biorretenção system showed
good results, especially for infiltration function, where 100% of the precipitated heights were
infiltrated in the system, while the natural soil was flow over its surface. The retention function is
effective in 42.86% of the analyzed moments, while the storage layer was 71.43% efficient at the
cases.
Keywords – Stormwater urban management; compensatory technique; monitoring.
XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos
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INTRODUÇÃO
Os processos de urbanização geram forte pressão espacial sobre as bacias urbanas, tornandoas cada vez mais vulneráveis as modificações de uso e ocupação do solo. O aumento das áreas
impermeáveis intensificam os impactos negativos sobre os cursos d’água, proporcionando também
significativas mudanças na dinâmica do sistema de drenagem. Alguns desses impactos negativos
são: o aumento do volume e da velocidade do escoamento superficial; aumento da frequência de
alagamentos e cheias, principalmente à jusante pela elevação dos picos das descargas;
comprometimento da qualidade das águas superficiais e subterrâneas; comprometimento da
população, deixando-a vulnerável a riscos materiais e humanos (Righetto (2009); Tucci (2009)).
Nesse contexto, técnicas compensatórias têm sido estudadas para dar suporte ao sistema de
drenagem urbana existente. Elas têm como objetivos minimizar os efeitos da urbanização, diminuir
a geração dos volumes de escoamento e vazões a jusante, maximizar o controle na fonte, resgatar os
processos envolvidos no ciclo hidrológico e potencializar o controle da qualidade das águas e a
recarga de aquíferos. Alguns exemplos são as trincheiras de infiltração, pavimentos permeáveis,
sistemas de biorretenção, valas de infiltração, bacias de retenção, entre outros (Davis (2008);
Righetto (2009); Roy-Poirier et al. (2010); Baptista et al. (2011); Santos et al. (2013)).
Sistemas de biorretenção, também conhecidos como jardins de chuva, tendem a proporcionar
a máxima infiltração das águas escoadas e o crescimento vegetativo, controlando a quantidade e
qualidade das águas advindas do escoamento superficial, através das propriedades químicas,
biológicas e físicas das plantas, microorganismos e solo compõem o sistema (Trowsdale e Simcock
(2011)).
Existem variadas metodologias desenvolvidas para elaborar o projeto de um sistema de
biorretenção, os quais variam de acordo com a escala do experimento, características locais e área
de implantação e, assim como a estrutura do sistema, não há um padrão de projeto definido. Em
relação à escala, o projeto pode ser realizado pontualmente, coletando águas de pequenas áreas
superficiais, sendo dimensionados através de uma proporção de 5% a 20% da superfície
impermeável (Christensen e Schmidt (2008); Li e Zhao (2008)).
No que se refere às características locais, deve-se considerar aspectos como os índices
pluviométricos, estudo do solo e topografia, a fim de conhecer o comportamento dos eventos, as
condições hidráulicas do solo e o caminho das águas no meio urbano (Prince George’s County
(2007); Davis et al (2009); Li et al. (2010)).
Dessa forma, a composição estrutural e as informações adquiridas nas etapas de planejamento
e projeto são essenciais para o bom funcionamento dos sistemas de bioretenção. Assim, este
trabalho apresenta a estrutura, projeto e avaliação de um sistema de bioretenção, enfocando seu
desempenho como estrutura de retenção, armazenamento e infiltração das águas pluviais urbanas.
MATERIAIS E MÉTODOS
Descrição da área de estudo
A cidade de Recife, Pernambuco, está localizada em uma planície um pouco acima do nível
do mar (2 m a 10 m), sendo rodeada por morros e elevações topográficas, proporcionando o
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acúmulo de água em seu interior, dificultando a drenagem natural das águas em épocas chuvosas.
Possui um clima tropical quente e úmido do tipo As, de acordo com a classificação climática de
Köppen, e média histórica anual da precipitação dos últimos 20 anos de 2.219 mm, sendo o mês de
junho o de maior precipitação – média histórica anual dos últimos 20 anos de 413,01 mm.
O sistema de biorretenção piloto foi instalado na Universidade Federal de Pernambuco UFPE, e projetado para receber águas advindas de uma fração do telhado do Laboratório de
Hidráulica, equivalente a uma área de 74,80 m². A caracterização do solo natural foi determinada
mediante amostras de solo coletadas a variadas profundidades utilizando a NBR 7181 (1984) e a
classificação textural da Embrapa (EMBRAPA (2006)), sendo apresentada na Tabela 1. A taxa de
infiltração da superfície do solo natural foi de 28,49 mm/h.
Tabela 1 – Classificação textural do solo natural da área de estudo.
Camadas (cm)
Classificação
Camadas (cm)
Classificação
0-10
Franco Argilo Arenoso
90-100
Franco
10-20
Franco Argilo Arenoso
100
Franco Arenoso
20-30
Franco Arenoso
100-110
Franco Argilo Arenoso
30-40
Franco Arenoso
110-120
Franco Arenoso
40-50
Franco Arenoso
120-140
Franco Arenoso
50-60
Franco
140-160
Franco Arenoso
60-70
Franco
160-180
Franco Arenoso
70-80
Franco
180-190
Franco Arenoso
80-90
Franco
Descrição do sistema de biorretenção
O projeto foi realizado a partir da porcentagem mínima da área impermeável, 5%, tendo uma
área de 3,74 m². Para efeitos de cálculo e regularidade no desenho do experimento, a área adotada
foi de 4,00 m², sendo 2,00 m cada lado.
A composição estrutural do sistema foi definida a partir do dimensionamento da camada de
armazenamento. Os procedimentos para determinação da altura da camada de armazenamento
foram os seguintes: I. intensidade de precipitação; II. altura de precipitação; III. volume de entrada;
IV. volume de saída e; V. altura de brita (MELO et al. (2014)). A composição estrutural é
apresentada na Figura 1.
Figura 1 – Composição estrutural do sistema de biorretenção. Fonte: Melo et al., 2014
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A percentagem de matéria orgânica da primeira camada do sistema de biorretenção foi de
37,85 %, determinada pelo Método Walkley-Black modificado (SILVA (1999)). A taxa de
infiltração média da superfície do sistema foi de 312 mm/h (MELO et al. (2014)).
Para o monitoramento do sistema foram instalados os seguintes equipamentos: um
pluviômetro, um sensor de nível no interior de um piezômetro instalado da camada de
armazenamento e um conjunto de captação das águas superficiais do telhado, formado por uma
calha metálica e um tubo de queda direcionado ao sistema de biorretenção.
Análise das funções de retenção, armazenamento e infiltração
Na função de retenção foi analisada capacidade do sistema reter as águas em sua superfície,
considerando que a camada de armazenamento e o solo natural estão saturados. O volume máximo
de retenção é de 400 L.
No tocante ao armazenamento, foi avaliado o desempenho do sistema como estrutura capaz
de armazenar as águas no seu interior, através do monitoramento da altura da coluna d’água na
camada de brita, novamente considerando que o solo adjacente está saturado. O volume máximo de
armazenamento é de 1.456 L, considerando a porosidade de 52% relativo a brita do tipo 19.
Na função de infiltração foram comparados os comportamentos da superfície do solo natural e
da superfície do sistema de biorretenção, como adotado em Jenkins et al. (2010). Para tal, foi
utilizada a equação proposta por Horton (1940) (Equação 1), com os parâmetros já ajustados e
apresentando uma validação positiva para medir a quantidade de água infiltrada. Através da
equação foi possível estimar o tempo de encharcamento do solo (Equação 2) e as lâminas de água
infiltrada e escoada superficialmente em cada evento (Equação 3).
𝐼𝑡 = 28,49 + (1487,94 − 28,49) ∙ 𝑒 −65,90𝑡
𝑡𝑒 = −
𝐿𝑖𝑛𝑓 =
𝑙𝑛(
𝐼𝑡 −28,49
)
1487,94−28,49
(2)
65,90
(1487,94−28,49)
65,90
(1)
⋅ (1 − 𝑒 −65,90𝑡𝑒 ) + 28,49 ⋅ 𝑡𝑒
(3)
Sendo: 𝐼𝑡 a taxa de infiltração no tempo “t” (mm/h); 𝑡𝑒 o tempo de encharcamento (min); 𝐿𝑖𝑛𝑓
a lâmina infiltrada (mm).
RESULTADOS
A escolha dos eventos foi baseada na série de precipitações ocorrida no período de 11/04 a
11/07. Foram selecionados os quatro eventos com maiores valores de altura de precipitação, sendo
dois considerando somente a precipitação direta sobre o sistema de biorretenção – 1º período –
calha não instalada; e dois considerando a precipitação direta somada ao volume advindo do telhado
– 2º período – calha instalada (Figura 2). Já na Figura 3 são apresentados o monitoramento diário de
cada evento selecionando, destacando os momentos analisados neste estudo.
No que tange a função de retenção na superfície do sistema de biorretenção, houve
extravasamento da estrutura em 4 momentos, coincidindo com os momentos do 2º Período (com
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calha instalada). A Tabela 3 apresenta os valores retidos na superfície, à porcentagem ocupada em
relação aos 400 L máximos e os volumes excedidos, caso tenha ocorrido extravasamento.
Figura 2 – Precipitação do estudo, destacando os períodos.
Figura 3 – Monitoramento diário dos eventos selecionados, com destaque para os momentos
analisado em cada evento.
Avaliando a função de armazenamento, apenas dois momentos apresentaram volumes
superficiais maiores do que o suportado pela camada de armazenamento (1.456,00 L). Esses dois
momentos representam os blocos de valores de precipitação mais elevados, gerando
consequentemente volumes altos (IV – 4.443,40 L e V – 2.702,05 L).
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Os dados referentes ao armazenamento são apresentados na Tabela 3, correspondendo ao
volume armazenado, à porcentagem da camada de armazenamento utilizada e, em caso de
extravasamento, o volume excedido.
Momento
I
II
III
IV
V
VI
VII
Período
I
II
III
IV
V
VI
VII
Tabela 2: Análise da função de retenção.
Volume retido (L)
% retenção
Volume excedido (L)
305,82
76,45
136,14
34,04
280,42
70,10
400,00
100,00
4.043,40
400,00
100,00
2.302,05
400,00
100,00
460,65
400,00
100,00
40,33
Tabela 3: Análise da função de armazenamento.
Volume armazenado % armazenado Volume excedido (L)
305,82
21,00
136,14
9,35
280,42
19,26
1.456,00
100,00
2.987,37
1.456,00
100,00
185,58
860,65
59,11
440,33
30,24
-
Na análise da função de infiltração no solo natural foi verificada que para chuvas de
intensidade maiores do que a capacidade do solo natural houve escoamento superficial, ocorrendo
em todos os momentos do 1º Período. Na Tabela 4 são apresentados o tempo de encharcamento e as
lâminas infiltradas e escoadas para cada momento considerado na superfície do solo natural e no
sistema de biorretenção.
Momento /
Duração (h)
I
2
II
1
III
2
IV
7
V
9
VI
2
VII
1
Tabela 4: Análise da função de infiltração.
SOLO NATURAL
SISTEMA DE BIORRETENÇÃO
t e (min)
Linf (mm)
Lesc (mm) t e (min)
Linf (mm)
Lesc (mm)
4,56
24,16
52,29
76,45
5,07
24,47
9,57
34,04
4,92
24,38
45,72
70,10
56,38
56,38
34,29
34,29
10,92
10,92
5,59
5,59
-
* Os valores de 𝐿𝑖𝑛𝑓 e 𝐿𝑒𝑠𝑐 são considerados para 1m².
É interessante observar que nos momentos de escoamento superficial (I, II e III), os valores
das lâminas infiltradas se aproximaram da capacidade de infiltração do solo natural (28,4 mm/h).
Isso representa a limitação de solo natural em infiltrar maiores valores de alturas de precipitação em
pouco tempo de duração do evento.
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Nos momentos IV e V, a infiltração é mais presente, principalmente pela distribuição mais
uniforme da precipitação em intervalos de tempos consideravelmente longos (7 e 9,
respectivamente). Essa situação já não ocorre nos momentos finais do estudo, em que apresentam
intervalos de duração da chuva curtos como os do 1º Período, porém as alturas pluviométricas não
foram tão elevadas, ou seja, a intensidade foi pequena.
Já observando os dados de infiltração referentes ao sistema de biorretenção, tem-se que todas
as alturas de precipitação foram infiltradas nos tempos de ocorrência do evento.
CONCLUSÕES
Em relação à função de retenção, em 57,14% dos períodos chuvosos analisados ocorreu
extravasamento no sistema de biorretenção. Para tal, foi considerada uma situação extrema do
sistema, onde o mesmo encontra-se em saturação.
O desempenho do sistema em relação ao armazenamento das águas pluviais foi considerado
bom, tendo a camada de armazenamento, volume disponível suficiente em 71,43% dos momentos
analisados. Apenas em dois momentos a capacidade de armazenamento foi solicitada em sua
totalidade, correspondendo aos momentos de maiores intensidades do estudo (IV – 56,39 mm e V –
34,29 mm).
Comparando o processo de infiltração no sistema de biorretenção com a superfície do solo
natural, constata-se que em todos os momentos o sistema foi capaz de infiltrar 100% do volume
superficial.
Deve-se ressaltar que as funções analisadas não podem ser estudadas separadamente, visto
que os processos de retenção, armazenamento e infiltração acontecem de maneira concomitante.
Assim, o sistema de biorretenção pode ser uma boa opção para o manejo das águas pluviais
urbanas, sendo este trabalho um pequeno avanço dos estudos sobre essa temática.
É necessário aperfeiçoar e aprofundar os estudos sobre o desempenho desse sistema, ainda na
questão quantitativa, e investigar questões qualitativas de controle e remoção de sedimentos e
poluentes.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Facepe, pela concessão das bolsas de doutorado, que possibilitaram o
desenvolvimento desta pesquisa e ao MAPLU - Manejo de Águas Pluviais em Meio Urbano.
REFERÊNCIAS
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