UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS
MAURÍCIO MARCUZ BUFFO
DRENAGEM URBANA SUSTENTÁVEL: AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE
TÉCNICAS COMPENSATÓRIAS EM BACIA URBANIZADA
POÇOS DE CALDAS/MG
2022
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Tcc relacionado a construção civil, Teses (TCC) de Engenharia Geotécnica
Tcc destaca uma área específica da engenharia civil
Tipologia: Teses (TCC)
2025
1 / 62
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS
MAURÍCIO MARCUZ BUFFO
DRENAGEM URBANA SUSTENTÁVEL: AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE
TÉCNICAS COMPENSATÓRIAS EM BACIA URBANIZADA
POÇOS DE CALDAS/MG
MAURÍCIO MARCUZ BUFFO
DRENAGEM URBANA SUSTENTÁVEL: AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE
TÉCNICAS COMPENSATÓRIAS EM BACIA URBANIZADA
Dissertação apresentada como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Alfenas. Área de concentração: Recursos Hídricos e Meio Ambiente. Orientador: Prof. Dr. Alexandre Silveira. Coorientador: Prof. Dr. Frederico Carlos Martins de Menezes Filho. POÇOS DE CALDAS/MG 2022
MAURÍCIO MARCUZ BUFFO
DRENAGEM URBANA SUSTENTÁVEL: AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE TÉCNICAS
COMPENSATÓRIAS EM BACIA URBANIZADA
A Banca examinadora abaixo-assinada aprova a Dissertação apresentada como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Alfenas. Área de concentração: Recursos Hídricos e Meio Ambiente Aprovada em: 26 de agosto de 2022 Prof. Dr. Alexandre Silveira Instituição: Universidade Federal de Alfenas Prof(a). Dr(a). Maria Clara Fava Instituição: Universidade Federal de Viçosa - Campus Rio Paranaíba Prof. Dr. Flávio Aparecido Gonçalves Instituição: Universidade Federal de Alfenas Documento assinado eletronicamente por Alexandre Silveira , Professor do Magistério Superior , em 30/08/2022, às 16:51, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8 de outubro de 2015. Documento assinado eletronicamente por Maria Clara Fava , Usuário Externo , em 31/08/2022, às 13:39, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8 de outubro de 2015. Documento assinado eletronicamente por Flávio Aparecido Gonçalves , Professor do Magistério Superior , em 31/08/2022, às 15:36, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8 de outubro de 2015. A autenticidade deste documento pode ser conferida no site https://sei.unifal- mg.edu.br/sei/controlador_externo.php? acao=documento_conferir&id_orgao_acesso_externo=0, informando o código verificador 0803323 e o código CRC 5BC. Folha de Aprovacao PPGCEA 0803323 SEI 23087.011845/2022-37 / pg. 1
AGRADECIMENTOS
À Universidade Federal de Alfenas – UNIFAL campus Poços de Caldas e seu corpo docente, em especial ao Prof. Dr. Alexandre Silveira, e também ao Prof. Dr. Frederico Menezes Filho da Universidade Federal de Viçosa – UFV. O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
ABSTRACT
Population growth in recent decades has resulted in the increase of urbanization processes in a disorderly way, accentuating the occurrence of problems related to water infrastructures in the urban environment, such as floods. Through hydrological modeling, it is possible to analyze compensatory techniques in order to control the adverse effects arising from urban surface runoff and thus readjust or increase the hydraulic efficiency of drainage systems. This work aimed to evaluate the impact of the implementation of compensatory techniques in urban drainage applied to an urbanized hydrographic sub-basin through a calibrated and validated model. The areas susceptible to the generation, transport and accumulation of surface runoff were identified, and the compensatory techniques to be installed in these areas were determined according to the individual characteristics of each one of them. Using the Storm Water Management Model (SWMM)¸ simulations were performed with different occupation scenarios and the use of compensatory techniques (source and centralized control). Based on the results, the ability to control flood peaks and surface runoff was observed due to the implementation of compensatory techniques by increasing the storage capacity and water infiltration. Centralized control proved to be more efficient, through the implementation of detention basins, with reductions from 77.81 to 97.77% in peak flows in each of the evaluated scenarios, followed by source control through micro-reservoirs with 44 .62% to 69.09% and then by the vegetated roofs with 18.71% to 40.53%. In addition, it was found that the measure of planting native vegetation was not effective in the analyzes carried out, not being indicated as a way of mitigating the problem of flooding in the hydrographic sub-basin. Keywords: best management practices; runoff; hydrological modeling; swmm.
LISTA DE FIGURAS
- Figura 1 - Bacia hidrográfica e seu sistema de drenagem.
- Figura 2 - Processo de transformação de chuva em vazão.
- Figura 3 - Hidrograma.
- Figura 4 - Hidrogramas comparativos.
- Figura 5 - Processo de impacto da urbanização na drenagem urbana.
- Figura 6 - Hidrograma hipotético.
- Figura 7 - Representação dos processos de enchente e inundação.
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES
AMC Antecedent Moisture Condition ANA Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico CHM Chicago Hydrograph Model CN Curve Number EPA Enviromental Protection Agency IDF Intensidade-Duração-Frequência ILLUDAS Illinois Urban Drainage Area Simulator IPH Instituto de Pesquisas Hidráulicas IPT Instituto de Pesquisa e Tecnologia LENHS Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento LID Low Impact Development NSE Coeficiente de Nash e Sutcliffe SCS Soil Conservation Service STORM Storage Treatment Overflow Runoff Model SWMM Storm Water Management Model USDA United States Department of Agriculture USEPA United States Environmental Protection Agency
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.................................................................................. 11
2 REVISÃO DE LITERATURA............................................................. 13
2.1 BACIAS HIDROGRÁFICAS 13
2.2 PRECIPITAÇÃO 15
2.3 ESCOAMENTO 16
2.4 ENCHENTES E INUNDAÇÕES 17
2.5 TÉCNICAS COMPENSATÓRIAS 19
2.6 MODELAGEM HIDROLÓGICA 22
2.7 STORM WATER MANAGEMENT MODEL (SWMM) 24
3 SIMULAÇÃO DE TÉCNICAS COMPENSATÓRIAS PARA
CONTROLE DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL URBANO:
CONTROLE NA FONTE OU
CENTRALIZADO?............................................................................
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................. 57
REFERÊNCIAS ................................................................................ 58
12 Por meio da modelagem hidrológica podem ser desenvolvidas e analisadas técnicas compensatórias com intuito de controlar os efeitos adversos oriundos do escoamento superficial urbano e assim readequar ou aumentar a eficiência hidráulica dos sistemas de drenagem, reduzindo então a ocorrência de enchentes e inundações urbanas. A escolha, ao que melhor se adapta a bacia hidrográfica de estudo, tem como foco os processos de infiltração e armazenamento da água proveniente de eventos de precipitação (RABORI et al., 2017). Neste contexto, a sub-bacia hidrográfica do Vai e Volta localizada no município de Poços de Caldas – MG apresenta um histórico de inundações decorrentes da falta de planejamento adequado para a gestão das águas urbanas, uma vez que o alto grau de urbanização e elevados índices pluviométricos tornam-se características para ocorrência destes eventos. Desta forma, estudos aplicados ao amortecimento de cheias, ao aumento nos tempos de concentração da bacia hidrográfica e à redução das vazões máximas, são de extrema importância para o controle e/ou prevenção dos impactos das inundações. Objetiva-se com o presente trabalho avaliar o emprego do uso de técnicas compensatórias em cenários distintos de uso e ocupação do solo por meio de um modelo calibrado e validado para uma bacia hidrográfica urbana no município de Poços de Caldas – MG.
13 2 REVISÃO DE LITERATURA 2.1 BACIAS HIDROGRÁFICAS A bacia hidrográfica é considera uma área de captação natural da água de forma a qual converge o escoamento gerado pela precipitação da chuva para um único ponto de saída, denominado exutório (FIGURA 1) (ANA, 2012). Figura 1 - Bacia hidrográfica e seu sistema de drenagem Fonte: ANA (2012, p. 5). Segundo Tucci (2004), a bacia hidrográfica é um sistema físico, composto por entradas e saídas, sendo elas o volume de água precipitado e o volume de água o qual escoa pelo exutório, respectivamente, levando em consideração também as perdas intermediárias por evaporação, transpiração e infiltração. Quando se tratando de eventos isolado, as perdas intermediárias podem ser desconsideradas e desta forma o processo de transformação de chuva em vazão pode ser analisado através da Figura 2. Figura 2 - Processo de transformação de chuva em vazão Fonte: Adaptado de Tucci (2004).
15 2.2 PRECIPITAÇÃO Precipitação é a denominação dada a umidade, independentemente de sua forma, proveniente da atmosfera, a qual é depositada na superfície terrestre, podendo ocorrer na forma de chuva, granizo, neblina, neve, orvalho ou geada. Sua formação dá-se pelas massas de ar quentes que ascendem e ao resfriarem, e atingirem o ponde de saturação, se condensam em formas de gotículas suspensas. Ao sofrerem algum processo de turbulência ou vibração por parte de descargas elétricas ou outro processo de aglutinação ocorre a precipitação (RIGHETTO, 1998). No Brasil, geralmente a precipitação é sinônimo de chuva, uma vez que as outras formas existentes, como neve, granizo, neblina, entre outros, representam uma parcela pequena no ciclo hidrológico e são incomuns de ocorrerem na região (ALMEIDA et al., 2017). Segundo Righetto (1998), Tucci (2004), a precipitação pode ser caracterizada através de grandezas distintas: altura, duração, intensidade e frequência. É por meio delas que pode-se descrever o volume de chuva que precipitou, medido em milímetros (mm) (Altura), e está, quase sempre, relacionada a um intervalo de tempo (min ou h) (Duração); sua variabilidade temporal, a qual é tida como a variação da lâmina d’água precipitada por unidade de tempo (mm/h ou mm/min) (Intensidade); e por se tratar de fenômenos aleatórios, o número de ocorrências da precipitação em um determinado tempo e a frequência de ocorrência (Frequência). A maior parte dos problemas relacionados à drenagem, como alagamento de ruas, inundações de edificações, entre outros dá-se pela ocorrência de precipitações intensas, ou seja, quando há um evento de precipitação, que apresenta uma ou mais de suas grandezas com valores elevados. Assim, através do comportamento das chuvas intensas, são dimensionadas as obras de drenagem, de forma a trazer segurança à população (ALMEIDA et al., 2017; RIGHETTO, 1998). De acordo com Tucci (2004), as precipitações intensas podem ser retratadas pontualmente pelas curvas de intensidade, duração e frequência, denominadas de IDF, a qual utiliza de análises estatísticas de séries históricas de precipitações. Os eventos de precipitação podem ser monitorados através de pluviômetros ou pluviógrafos. O pluviômetro é um equipamento totalizador o qual registra o volume de chuva total acumulada em um dado período, já o pluviógrafo é um aparelho automático o qual registra as variações de precipitação de forma contínua, assim gerando um gráfico da altura de água precipitada no evento em função do tempo, este gráfico é conhecido como pluviograma (TUCCI, 2004).
16 2.3 ESCOAMENTO O escoamento superficial é um dos componentes do ciclo hidrológico e caracteriza-se pelo fluxo da água na superfície do solo e corpos hídricos, tendo sua origem, fundamentalmente, nas precipitações, como parcela de chuva a qual não infiltrou no solo (RIGHETTO, 1998). Segundo Barbosa (2014), o escoamento superficial sofre influência de fatores climáticos (eventos de precipitação), fisiográficos (relevo da bacia hidrográfica) e antrópicos (uso e ocupação do solo e obras hidráulicas). O deflúvio de uma bacia hidrográfica pode ser caracterizado através de grandezas como: precipitação efetiva, coeficiente de escoamento superficial, tempo de concentração, vazão do corpo hídrico principal, sua frequência de ocorrência e o nível de água. As vazões máxima, mínima e média de longa duração são utilizadas como forma de caracterizar as condições do escoamento superficial. Uma vez que os dados de vazão mínima são empregados em estudos de disponibilidade hídrica; os dados de vazão média são utilizados em projetos de regularização de vazões; e os dados de vazão máxima em cálculos de projetos de obras hidráulicas e em estudos de identificação e controle de inundações e enchentes (PRUSKI et al., 2006). De acordo com Tucci (2004), ao relacionar a vazão gerada pela chuva ao longo do tempo, tem-se o elemento gráfico denominado hidrograma, de modo que seu comportamento, após um evento individual de precipitação, se assemelha ao apresentado pela Figura 3, para uma dada bacia hidrográfica genérica. Figura 3 - Hidrograma Fonte: Adaptado de Tucci (2004).
18 corpos hídricos, entre outros. Estes processos, representados pela Figura 5, atrelados a ocupação de áreas inadequadas são fatores que corroboram para ocorrência de problemas ligados a gestão das águas urbanas, sendo um de seus maiores impactos as enchentes e inundações. Os hidrogramas típico de uma bacia natural e aquele resultante da urbanização são apresentados na Figura 6 (TUCCI, 2007). Figura 5 - Processo de impacto da urbanização na drenagem urbana Fonte: Autor. Figura 6 - Hidrogramas hipotéticos Fonte: Autor.
19 As enchentes estão associadas a uma elevação do nível do corpo hídrico, porém limitada dentro de seu leito. Já as inundações correspondem a elevação não usual do nível d’água, a qual provoca o extravasamento do canal e a ocupação da área de várzea, estes processos são exemplificados na Figura 7 (BARBOSA, 2014). Figura 7 - Representação dos processos de enchente e inundação Fonte: IPT (2007, p. 92). Uma nova abordagem surgiu como alternativa aos sistemas clássicos de gestão de aguas urbanas, os quais limitavam-se basicamente na captação e condução das águas através de condutos, estes em sua maioria subterrâneos, e eventualmente algumas obras complementares, esta nova abordagem trata do desenvolvimento sustentável com intuito de solucionar e/ou mitigar os efeitos dos processos urbanísticos que impactam direta e indiretamente o ciclo hidrológico (MINISTÉRIO DAS CIDADES, 2007). 2.5 TÉCNICAS COMPENSATÓRIAS As técnicas compensatórias, são um segmento do desenvolvimento sustentável, as quais atuam nos sistemas de drenagem de forma a regularizar ou elevar a eficiência hidráulica, assim desenvolvendo um papel no controle de enchentes e inundações urbanas. Segundo o Ministério das Cidades (2007), estas tecnologias alternativas têm como base a bacia hidrográfica como objeto central do estudo, assim considerando os impactos provenientes da urbanização de maneira global, tendo como principais vantagens a modulação do sistema de drenagem em função do crescimento urbano, consequentemente permitindo a continuidade do desenvolvimento urbano sem gerar custos excessivos para as municipalidades, além de combinar a gestão de águas urbanas com aspectos urbanísticos das cidades. As técnicas compensatórias de controle de inundações constituem um conjunto de medidas estruturais e não estruturais que atuam direta e indiretamente na drenagem urbana,