Aula sobre Drenagem Urbana: Macrodrenagem e Planejamento

Drenagem Urbana Hidráulica da macrodrenagem Objetivos de aprendizagem Ao término desta aula vocês serão capazes de relembrar o que é macrodrenagem compreender a importância do planejamento dentro da macrodrenagem definir as etapas do planejamento conhecer a hidráulica de canais conhecer quais as considerações para o correto dimensionamento de reservatórios Carosas acadêmicosas Para onde vão as águas que são drenadas pela macrodrenagem É isso que vamos ver nesta aula Aprenderemos sobre o que é relevante dentro das tomadas de decisões frente à macrodrenagem e sobre a hidráulica de alguns componentes que são os mais usuais Vamos lá Tenham uma excelente leitura Bons estudos 7º Aula 65 1 Planejamento do sistema de macrodrenagem 2 Hidráulica macrodrenagem 1 Planejamento do sistema de macrodrenagem Em nossa Aula 06 vimos como realizar o processo de dimensionamento dos principais componentes da microdrenagem desde sarjeta bocas de lobo e os diâmetros das galerias Agora é a hora de aprendermos um pouquinho a respeito do processo hidráulico da macrodrenagem que também é necessário saber quando se trata do planejamento e da implantação adequada em um sistem de drenagem urbana Vamos lembrar que a macrodrenagem abrange o sistema de córregos urbanos naturais ou canalizados a céu aberto ou em galerias que drenam áreas superiores a 4 km2 onde o escoamento é gerado em regiões urbanizadas e não urbanizadas SUDERHSA 2002 Como podemos fazer seu planejamento então Temos que considerar a definição de cenários as medidas de planejamento do controle de macrodrenagem e os estudos de alternativas de projeto O planejamento da macrodrenagem deve ser efetivado por unidade hidrográfica e nesse sentido são recomendadas as seguintes etapas de desenvolvimento conforme a Agência Reguladora de Águas Energia e Saneamento ADASA 2018 a Caracterização da unidade hidrográfica b Definição dos cenários de planejamento e risco c Determinação da precipitação de projeto d Avaliação da capacidade e simulação dos cenários e Seleção de alternativas para controle f Simulação das alternativas de controle g Avaliação da qualidade da água h Avaliação econômica i Seleção da alternativa A seguir temos um organograma com todas as etapas do planejamento da macrodrenagem que por sua vez serão detalhas nas subseções desta aula Figura 1 Etapas do planejamento Fonte Suderhsa 2002 Seções de estudo Caracterização da unidade hidrográfica Esse é o momento de caracterizar a bacia hidrográfica em questão a qual engloba as seguintes ações ADASA 2018 Avaliação da geologia verificar os parâmetros como tipo de solo a hidrogeologia relevo ocupação urbana população caracterizada por subbacia para os cenários de interesse Drenagem aqui a intenção é determinar a bacia e as subbacias de interesse o sistema de drenagem natural e construído com as suas características físicas tais como seção de escoamento cota comprimento de canais e cursos dágua e bacias contribuintes à drenagem Dados hidrológicos momento de caracterizar a bacia por meio dos estudos pluviométricos que incluem a precipitação sua caracterização pontual espacial e temporal a verificação da existência de dados de chuva e vazão que permitam ajustar os parâmetros dos modelos utilizados dados de qualidade da água e produção de material sólido sedimentos Definição dos cenários de planejamento e risco O método adotado para definir os cenários de planejamento é baseado no previsto para o desenvolvimento da cidade que já aprendemos e como vimos é representado pelo Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano e Ambiental Podemos definir de acordo com as áreas ocupadas que não foram previstas áreas desocupadas parceladas e áreas que deverão ser parceladas no futuro ADASA 2018 Determinação da precipitação de projeto Conforme Adasa 2018 essa determinação é realizada por meio dos registros de precipitação da área mais próxima da bacia de interesse nos quais se utiliza a curva IDF considerando a duração da precipitação de pelo menos 24 horas Esse valor deve ser discretizado no tempo em intervalos de tempo menores ou igual a 15 do tempo de concentração da bacia Para bacias maiores que 25 km² devemosse aplicar um coeficiente de abatimento espacial definido com base na literatura técnica já que quase sempre não há estudos específicos sobre a distribuição espacial de chuvas intensas Avaliação da capacidade e simulação dos cenários A avaliação de cenários é realizada na forma de simulação e está de acordo com as redes de drenagem existentes ou projetadas pois é preciso identificar se o sistema tem capacidade para atender a evolução urbana prevista Tal análise é realizada considerando apenas a capacidade de drenagem SUDERHSA 2002 De acordo com Cruz et al 2005 essas simulações buscam identificar se o sistema tem a capacidade para comportar os aumentos de vazão gerados pela evolução 66 Drenagem Urbana urbana de cada cenário seja no caso de verificação ou no caso de projeto se o sistema foi corretamente dimensionado para a vazão existente Quando se utiliza o cenário de ocupação urbana a análise dos resultados permite identificar os locais onde o sistema de drenagem não tem capacidade de escoar as vazões gerando portanto inundações CRUZ et al 2005 Seleção de alternativas para controle Após a avaliação por meio da simulação de cenários e dos resultados indicarem que a situação for de verificação da capacidade das redes de drenagem devem ser identificadas as limitações existentes no sistema e em locais ela ocorrem caso não exista nenhuma limiação essa etapa não é realizada Nesse caso o planejador deve buscar analisar as alternativas de controle priorizando as medidas de detenção ou retenção que não transfiram para jusante os acréscimos de vazão máxima Segundo Cruz et al 2005 Geralmente a combinação de soluções envolvem reservatórios urbanos em áreas públicas ou áreas potencialmente públicas com adaptação da capacidade de drenagem em alguns trechos mantendo a vazão máxima dentro de limites previstos pela legislação ou da capacidade dos rios arroios ou canais a jusante do sistema No caso de dimensionamento a alternativa de controle deve prever a utilização de estruturas de amortecimento da cheia para não ampliar a enchente a jusante e devese verificar se a rede projetada tem capacidade para escoar a atual vazão Simulação das alternativas de controle Escolhidas as alternativas as mesmas vão para a fase de simulação Nessa etapa não podemos esquecer de verificar se a alternativa de controle também evita as inundações das ruas para riscos menores ou iguais ao de projeto No caso de verificação a mesma pode ser realizada para o cenário atual de ocupação eou para um cenário de ocupação futura CRUZ et al 2005 Avaliação da qualidade da água Nessa etapa a inteção é verificar e avaliar se há alguma carga proveniente do esgoto sanitário que não é coletada pela rede de esgotamento sanitário e se isso ocorrer deve se determinar essa carga É necessário ainda em conjunto determinar a carga de resíduo sólido a carga difusa conduzida pelo sistema de drenagem e assim avaliar a capacidade de redução das cargas em função das medidas de controle previstas nas alternativas ADASA 2018 De modo geral fica nítido então que a avaliação da qualidade da água depende da existência da rede de esgotamento sanitário Isso afeta diretamente a rede de drenagem em nível de dimensionamento e de saúde pública e ambiental Avaliação econômica Agora vem uma parte determinante a avaliação econômica É necessário que os custos das alternativas sejam quantificados permitindo analisar a alternativa mais econômica para controle da drenagem envolvendo quando possível também a melhoria da qualidade da água pluvial ADASA 2018 Seleção da alternativa Quando chega o momento de escolher a melhor alternativa de controle perante a realidade em questão a mesma deve ser com base nos condicionantes econômicos sociais e ambientais Para tanto fazse necessário estabelecer as etapas do projeto executivo com a sequência de implementação das obras e os programas que serão considerados necessários CRUZ et al 2005 Figura 2 Caracterização das etapas de simulação Fonte SUDERHSA 2002 Para a simulação dos cenários indicados na Figura 2 podem ser usados diferentes modelos de acordo com as características do sistema e do problema Os modelos são subdivididos nos seguintes módulos bacia reservatório e canal ou conduto Segundo Suderhsa 2002 temos que No módulo reservatório o escoamento é amortecido nos reservatórios urbanos No módulo bacia é utilizada a precipitação como entrada e obtida a vazão gerada pela bacia No módulo canal o escoamento é transportado pelos canais e condutos através do sistema de drenagem natural ou artificial 67 Não trataremos em nosso material sobre como proceder com as simulações que foram comentadas até então A vocês por hora basta compreender a importância e a necessidade do planejamento e assim ter uma base demonstrando o quanto isso é necessário Agora vamos aprender brevemente sobre o dimensionamento de dois dos principais elementos que constituem a macrodrenagem os canais e os reservatórios já vimos o que eles significam em outras aulas Vale lembrar que há outros dispositivos que podem ser empregados na macrodrenagem mas não veremos o seu dimensionamento 2 Hidráulica macrodrenagem Canais Bem o sistema de microdrenagem encaminha as águas coletadas a algum lugar certo E esse destino engloba a macrodrenagem pois o dimensionamento hidráulico dos canais constitui importante atividade no projeto dos sistemas de macrodrenagem Esse processo de escoamento a um curso dágua ou canalização depende de vários fatores que podem ser agregados em dois conjuntos de acordo com Adasa 2018 Condicionantes de jusante atuam no sistema de drenagem de forma a modificar o escoamento a montante Os condicionantes de jusante podem ser estrangulamento do rio devido a pontes aterros mudança de seção reservatórios oceano Esses condicionantes reduzem a vazão de uma galeria canal ou rio independentemente das suas próprias capacidades hidráulicas Condicionantes locais definem a capacidade de cada seção do rio de transportar uma quantidade de água A capacidade local de escoamento depende da área da seção da largura do perímetro da declividade e da rugosidade das paredes Quanto maior a capacidade de escoamento menor o nível de água Para um sistema de drenagem urbano adequado à realidade é importante avaliar a capacidade de vazão das canalizações existentes identificando os eventuais pontos de estrangulamento gargalos CANHOLI 2014 Isso porque se em um canal com escoamento subcrítico existe uma ponte aterro ou outra particularidade que provoque uma redução local da sua capacidade a vazão de montante é reduzida pelo represamento de jusante e não pela capacidade própria do canal ADASA 2018 Esse tipo de singularidade provoca o aumento do nível de água provocando o efeito remanso que vocês já devem ter aprendido em hidráulica com mais detalhes Em grande parte dos canais já existentes os trechos são constituídos de diferentes tipos de revestimento e diversas seções transversais ou seja com reduções ou ampliações das seções hidráulicas contínuas ou abruptas bem como declividades de fundo não são uniformes CANHOLI 2014 Quadro 1 Elementos hidráulicos de um canal Fonte httpswwwpasseidiretocomarquivo54744253dimensionamentobueiro Acesso em 10 nov 2021 Em relação ao escoamento dentro das canalizações podem ocorrer dois regimes regime permanente ou regime não permanente O primeiro acontece se a velocidade da água em uma dada seção transversal é constante em módulo e direção e o 68 Drenagem Urbana segundo já acontece quando a velocidade varia no tempo como na passagem de uma onda de cheia ADASA 2018 Em termos práticos quando se trata da drenagem urbana o escoamento permanente uniforme é frequentemente considerado no dimensionamento e na verificação da capacidade da vazão dos canais O motivo é devido à maior facilidade e simplicidade matemática e à possibilidade de análise considerando trecho a trecho com características razoavelmente uniformes dos canais de drenagem CANHOLI 2014 Mas e nos casos em que ocorre o desague em lagos ou córregos cujos níveis dágua influenciando o escoamento nos trechos finais Aqui a determinação da linha dágua deve considerar o escoamento gradualmente variado para canais prismáticos CANHOLI 2014 Regime permanente uniforme Como já mencionamos o escoamento em regime uniforme ocorre quando em um canal com geometria e declividade constantes a profundidade a área molhada e a velocidade em todas as seções transversais são constantes e há o equilíbrio entre a energia disponível e a despendida pelo fluxo de forma que a linha de energia é paralela à linha dágua Observe a figura a seguir Figura 3 Regime permanente uniforme Fonte Canholi 2014 Por meio da equação de Chézy 1769 o escoamento uniforme em condutos livres pode ser descrito matematicamente CANHOLI 2014 Em que V velocidade média do escoamento C fator de resistência coeficiente de Chézy RH raio hidráulico I declividade do fundo declividade da linha de energia j que decorre da definição de regime permanente uniforme Considerando Fazendo as substituições Temos que n é o coeficiente de resistência de Manning A grandeza n não é adimensional a sua dimensão é TL 13 ou sm13 Importante levar isso em consideração nas eventuais mudanças de unidade ou de equacionamento Para obter a vazão Q no regime uniforme fazse a transformação da fórmula de Manning Em que AH seção hidráulica A profundidade da lâmina dágua no regime uniforme é denominada altura normal yN De acordo com Canholi 2014 esse valor de n de Manning depende de inúmeras variáveis que vão desde a rugosidade da superfície do canal como também o efeito da vegetação as irregularidades nas paredes as variações na seção hidráulica as obstruções o traçado do canal a sedimentação a erosão e as profundidades do canal Tabela 1 Valores de n de Manning para diversos tipos de canais 69 Fonte adaptado de Chow 1973 French 1985 Macaferri 2002 e Canholi 2014 Figura 3 Córrego Retiro Saudoso Ribeirão PretoSP Canal retilíneo com paredes verticais de concreto sem acabamento fundo rochoso nestimado 0018 a 0024 Fonte Canholi 2014 70 Drenagem Urbana Na maioria dos canais naturais ou projetados a rugosidade varia com o perímetro do canal devido aos revestimentos diferentes de fundo e margens à presença de vegetação nas margens ou a outros condicionantes Nesses casos é necessário calcular um valor equivalente para o coeficiente de rugosidade da seção de escoamento Existem vários métodos para tal e há algo em comum entre eles todos consideram a divisão da seção hidráulica em N subseções e a cada uma delas associase a um perímetro molhado Pi a uma seção hidráulica Ai e a um coeficiente de rugosidade ni CANHOLI 2014 Vamos apenas citar um dos métodos mais utilizados principalmente para canais projetados tratase do procedimento atribuído a Cox 1973 CANHOLI 2014 Em que Ai seção hidráulica da subseção i A seção hidráulica total Figura 4 Exemplo de canal com seção composta Fonte Canholi 2014 Escoamento gradualmente variado em seções prismáticas Vimos os casos dos canais com escoamento considerado como regime permanente uniforme Estudamos que há casos em que o escoamento é gradualmente variado e é referente aos canais com seções prismáticas declividades e rugosidades constantes Nesses casos a seção de controle impõe uma lâmina dágua diferente da altura normal definida pelo regime uniforme e se pode obter uma solução por meio de uma planilha de cálculo com o método denominado standard step CANHOLI 2014 Segundo Canholi 2014 para um trecho onde a linha dágua pode ser admitida como reta igualandose as energias específicas E1 e E2 temse a seguinte equação Com exceção de Δx as demais variáveis são função da profundidade y Figura 5 Método standard step Fonte Canholi 2014 Reservatórios Bem para o dimensionamento do reservatório temos que fazer algumas considerações as quais podem ser vistas como etapas que são as seguintes ADASA 2018 1º Disposição espacial do reservatório 2º Determinação do volume 3º Dimensionamento hidráulico dos dispositivos de saída Como já vimos os reservatórios podem ter as funções básicas de controle de vazão máxima qualidade da água e sedimentos e portanto o volume do reservatório é dimensionado assim como o dimensionamento dos dispositivos de saída de acordo com o tipo de controle desejado ou seja o tipo de reservatório SUDERHSA 2002 Vejamos a seguir cada um das etapas 71 1º Disposição espacial do reservatório A escolha da disposição do reservatório irá depender do espaço disponível Rrecomendase que o local seja junto ao sistema de drenagem que permita o maior efeito sobre a vazão de jusante É a posição do mesmo em relação à rede de drenagem que diferencia os reservatórios Os reservatórios podem ser offline e online ou inline O primeiro é quando são localizados ao lado da rede e o segundo quando estão alinhados à rede Figura 6 Reservatório inline Aricanduva 2 em São Paulo Fonte Adasa 2018 Figura 7 Reservatório offline Inhumas em São Paulo Fonte Adasa 2018 Quando não é implantado na rede de drenagem o separador absoluto a detenção é projetada para receber somente o excedente da capacidade de descarga do sistema de galerias eou canais e por isso é utilizado um reservatório offline Assim durante a estiagem o escoamento que é transportado pelo sistema de drenagem é uma combinação de esgoto sanitário com a contribuição natural da bacia SUDERHSA 2002 Figura 8 Uso da detenção para amortecimento da vazão para volume superior à capacidade de escoamento na seção Fonte Suderhsa 2002 Esse mesmo reservatório pode funcionar com um vertedor lateral ou com uma galeria ou canal extravasando para a área de detenção a partir de uma vazão limite Esses são sistemas de detenção online contudo funcionam como o anterior SUDERHSA 2002 As detenções também podem ser projetadas para reter sempre a parte inicial da inundação do pluvial com o objetivo de melhorar os condicionantes de qualidade da água e sedimentos além de amortecer o volume excedente visando o controle de volume Figura 9 Detenção ao longo do sistema de drenagem com controle de saída limitado pela seção de jusante Fonte Suderhsa 2002 Vale dizer que temos o que chamamos de dispositivos denominados de retenção que são reservatórios com lâmina de água projetados para melhorar a qualidade da água da drenagem afluente em função do tempo de residência do volume dentro do reservatório ADASA 2018 2º Determinação do volume Conforme Suderhsa 2002 a expressão aproximada do volume máximo de acumulação necessário em uma bacia de detenção pode ser dada por Em que V volume de acumulação em m3ha C coeficiente de escoamento entre 0 e 1 T período de retorno em anos qs vazão de saída em lsha Nos casos em que o reservatório é utilizado para controle da qualidade da água somase a esse volume o volume adicional do reservatório em função do tempo previsto de manutenção de parte do volume dentro do sistema SUDERHSA 2002 3º Dispositivos de saída Em resumo os dispositivos de saída são as saídas de fluxo das bacias de detenção Eles são dispositivos hidráulicos fixos tais como vertedores orifícios condutos de fundo e reguladores móveis automáticos ou de controle remoto SUDERHSA 2002 Vamos ver mais informações sobre a 72 Drenagem Urbana questão hidráulica apenas dos vertedouros na próxima seção Um dos maiores problemas desses dispositivos de saída é a manutenção pois há entupimentos devido ao material sólido e ao vandalismo sobre os equipamentos hidráulicos Para isso podemos contar com o auxíllio de reguladores móveis automáticos ou de controle remoto Eles funcionam baseados no monitoramento do nível do sistema O sensor monitora a jusante do dispositivo de saída e alguns dos sistemas utilizados que Suderhsa 2002 aponta são comporta móvel com controle de nível bacia de dissipação com um flutuador controlado por válvula flap válvulas controladas por flutuadores escoamento regulado por bombas r controle remoto com sensores de níveis e controle de comportas Ao final desta sétima aula vamos recordar sobre o que aprendemos até aqui Retomando a aula 1 Planejamento do sistema de macrodrenagem Aprendemos nesta seção sobre a importância do planejamento no sistema de macrodrenagem e que o mesmo deve ser efetivado por unidade hidrográfica As etapas do planejamento são caracterização da unidade hidrográfica definição dos cenários de planejamento e risco determinação da precipitação de projeto avaliação da capacidade e simulação dos cenários seleção de alternativas para controle simulação das alternativas de controle avaliação da qualidade da água avaliação econômica e seleção da alternativa 2 Hidráulica macrodrenagem Aqui o assunto abordado foi a macrodrenagem Desenvolvemos nosso aprendizado tendo como base as informações sobre os dispositivos e os critérios de projetos como também uma prévia de como seria o dimensionamento de canais e reservatórios Minhas anotações Análise da macrodrenagem de uma bacia urbana costeira com o auxílio de modelagem hidrológica e hidráulica Disponível em httprepositorioufesbrhandle10 9519 Acesso em 24 de novembro de 2021 Vale a pena ler Vale a pena