Universidade federal do rio grande do norte



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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

LABORATÓRIO DE RECURSOS HÍDRICOS E SANEAMENTO AMBIENTAL



TEMA 4 – PROSAB 5


MANEJO DE ÁGUAS PLUVIAIS URBANAS
RELATÓRIO PARCIAL 01

ESTUDO QUALI-QUANTITATIVO E DE MANEJO DE ÁGUAS PLUVIAIS EM ÁREAS DE DRENAGEM PILOTO NA CIDADE DE NATAL, RN.

NATAL/RN


MAIO/07

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS


LISTA DE QUADROS


LISTA DE TABELAS

1- Caracterização da Área de estudo

A cidade do Natal tem como peculiaridade, a formação de bacias de drenagem fechadas, em que os deflúvios superficiais são acumulados em lagoas naturais artificiais, localizadas nos baixos dessas bacias. A cidade possui aproximadamente 25 áreas de drenagem desse tipo, algumas de pequenas dimensões, de alguns hectares e outras chegando a valores próximos a 100 ha. Pela falta de planejamento do uso e ocupação da bacia, em muitas dessas, há incompatibilidade entre os volumes pluviais gerados com a capacidade de armazenamento das lagoas.

A bacia objeto da presente Proposta (Figura 1) encontra-se localizada no Município do Natal e abrange parte dos bairros de Cidade Jardim, Conjunto Mirrasol e Campus Universitário. Está inserida no polígono formado pelas coordenadas geográficas 9352900-9353700S e 255380-256700W (UTM). A área da bacia é igual a 0,322km², padrão de ocupação tipo residencial unifamiliar médio a alto, com predomínio de lotes de 360m². A sua localização privilegiada ensejou um padrão de ocupação de médio-alto padrão. O relevo da bacia é representativo da região na qual a cidade está assentada; trata-se de uma formação lacustre associada à presença de dunas. A camada de solo superficial, francamente arenoso, apresenta altas taxas de infiltração. O horizonte B do solo é formado por um perfil de baixa permeabilidade, denominado de Formação Barreiras. Vale citar a alta capacidade de armazenamento do aqüífero subterrâneo da região. Nesse sentido, a concessionária de abastecimento de água da Cidade utiliza uma rede de poços profundos para fins de abastecimento da região metropolitana. No entanto, fatores associados à ausência de controle e planejamento na explotação da água subterrânea, aliados à carência de infra-estrutura de coleta e tratamento de esgotos domésticos, têm provocado a contaminação da água por nitrato.




Figura 1: Fotografia aérea da Área de Estudo

2- Manejo de águas pluviais urbanas

A composição da água de chuva varia de acordo com a localização geográfica do ponto de amostragem, com as condições meteorológicas, com a presença ou não de vegetação e também com a presença de carga poluidora.

As primeiras águas pluviais são de baixa qualidade, uma vez que essas lavam a área de drenagem carreando o lixo e os esgotos acumulados prejudicando assim a infiltração das lagoas como também aumentando a poluição nos aqüíferos. Uma preocupação será separar essa primeira água, realizar um tratamento adequado fazendo com que diminua a carga poluidora, para, então, poder ser infiltrada no solo de uma forma que mantenha a boa qualidade das águas subterrâneas.

O levantamento do nível de qualidade da água, a partir do monitoramento de parâmetros específicos, com fins à identificação dos tempos ideais de separação das primeiras águas das demais águas com qualidade satisfatória para serem utilizadas no processo de infiltração e de recarga do aqüífero está em fase de implantação. A instalação de um amostrador automático de coleta de água já está sendo providenciada.

Os estudos de infiltração e injeção de águas pluviais no aqüífero está prevista para o segundo ano do projeto.

Os primeiros serão fundamentais para o levantamento dos parâmetros de infiltração e o estudo das alterações desses parâmetros devido à colmatação que se verifica nessas lagoas. Com os levantamentos experimentais, serão calibrados os modelos de infiltração normalmente adequados para a modelagem hidrológica. Com relação à colmatação das lagoas, com levantamento dos materiais que se acumulam no fundo da lagoa, será possível determinar a freqüência de manutenção das lagoas a fim de garantir o bom funcionamento dessas estruturas hidráulicas. Também serão construídos drenos tubulares verticais no fundo da lagoa a fim de se verificar a eficiência desses componentes no processo de infiltração. Para a área de drenagem os ensaios de infiltração serão realizados através de infiltrômetros e sondas de medição do teor de umidade do solo. Na lagoa, será instalado permeâmetro de nível variado no fundo da lagoa, constituído de tubo de ferro de 200mm e 2,5 m de comprimento, cravado verticalmente no solo através de trado com profundidade em torno de 10 m. Os furos serão preenchidos com brita e camisa de bidim.

Uma vez que será separada a água pluvial de baixa qualidade, a recarga, a partir da construção de poços de infiltração (segundo esquema apresentado na Figura 2), poderá ser um importante processo para a remediação dos atuais níveis de Nitrato presentes nas águas subterrâneas da cidade do Natal. O aparato experimental inclui um sistema elevatório além da construção do poço para injeção, e também, de medidores de vazão e de pressão. O acesso aos tubos de medidas será realizado através de construção de uma passarela a fim de facilitar a instalação e coleta de informações de linígrafos.



Figura 2: Poços de Observação e Infiltração
3- Monitoramento quali-quantitativo

3.1- Monitoramento Hidrológico

A partir de uma estação hidrológica (Figura 3) composta por um pluviógrafo e um linígrafo automático, serão levantados hietogramas espaciais de chuvas, hidrogramas correspondentes, assim como os volumes de detenção, de infiltração e de utilização e demais componentes que compõe o balanço hídrico das lagoas.

A instalação desses equipamentos já foi concluída e os mesmos encontram-se em fase de testes.




Figura 3: Estação Hidrológica
3.2- Qualidade das Águas Pluviais Urbanas

No aspecto qualitativo das águas pluviais urbanas caracterizam-se por conter sedimentos, nutrientes, matéria orgânica, substâncias que consomem oxigênio, bactérias e vírus patogênicos, compostos químicos, metais e agentes tóxicos (BRASIL, 2005). As origens desses poluentes são as mais diversas, conferindo um caráter de poluição difusa às águas pluviais urbanas.

A característica mais marcante da poluição de origem difusa é a grande variabilidade da concentração dos poluentes presentes quando do lançamento da drenagem urbana nos corpos d’água. As concentrações variam em ordens de magnitude entre bacias hidrográficas, entre diferentes eventos de precipitação e, também, ao longo de um mesmo evento (BERNARDO E NASCIMENTO, 2005).

As atividades humanas desenvolvidas na bacia de drenagem aumentam a carga dos poluentes. Dependendo do tipo de atividade na área, a quantidade e os tipos de poluentes carreados pelo volume do escoamento variarão. A intensidade e duração de precipitação e o tempo desde o último evento de precipitação também afetam a quantidade e transporte de poluentes gerados (ZOPPOU, 2001). A poluição do escoamento superficial é muito mais alta nas áreas ocupadas porque as atividades humanas geram muitos poluentes, e altos volumes de escoamento podem transportar os poluentes disponíveis na bacia de drenagem (MAKSINOVIC, 2001).

A poluição do escoamento superficial é função principalmente do tipo de ocupação da área urbana. Diversos fatores influenciam a geração e a magnitude da poluição do escoamento superficial. Fatores físicos e geográficos, tais como: tipo e intensidade do uso do solo, graus de impermeabilização, conexão e densidade de drenagem, tipo de solo, declividade da área de acumulação de água. Fatores climáticos, tais como: intensidade e duração da chuva, tempo que antecede o evento da chuva também são fatores importantes (AHLMAN, 2006).

3.2.1- Análise da Variação Temporal da Qualidade da Água

O comportamento da concentração de poluentes ao longo do tempo para um evento da chuva pode ser uma informação necessária de acordo com a finalidade do estudo proposto. Podendo ser utilizado para gerenciamento ou planejamento em drenagem urbana. A obtenção dessa variação envolve atividades detalhadas, desde a caracterização da bacia de drenagem, bem como dos parâmetros envolvidos tanto quantitativos como qualitativos.

O gráfico que apresenta a variação temporal da concentração dos poluentes do escoamento superficial é denominado na literatura como “polutograma” e é semelhante ao histograma, permitindo que sejam analisados conjuntamente (BAPTISTA E NASCIMENTO, 2005; GOONETILLEKE, 2005). É importante ressaltar que devem ser estabelecidos gráficos que relaciona a concentração ao longo do tempo para cada poluente em estudo.

A qualidade da água do escoamento superficial urbano envolve os componentes básicos que são: a geração do escoamento devido ao excesso de precipitação, ocorrendo o fenômeno de “wash-off” e o transporte de poluentes até as áreas receptoras. Existe uma dependência entre a qualidade e a quantidade da água de escoamento superficial (ZOPPOU, 2001).

O “first flush” pode ser definido com o período inicial do escoamento, durante o qual a concentração de poluentes é consideravelmente mais alta que aquelas medidas com o passar do tempo. Este conceito pode ser relacionado com a determinação da parcela do volume a ser interceptado para tratamento, visto conter a maior carga poluidora do evento.
3.2.2- Monitoramento da Qualidade da Água

O estudo será desenvolvido avaliando a qualidade da água do escoamento superficial em uma área de drenagem, situadas no bairro de Capim Macio, na cidade de Natal/RN. Essa pode ser considerada como uma “bacia fechada”. Este termo reflete as condições topográficas da área. É usado para designar bacias onde ocorre retenção do escoamento superficial em áreas baixas, ensejando a formação de lagoas (MOREIRA et al., 2000).

A bacia de drenagem está inserida no conjunto habitacional Mirassol e possui uma área de 0,14 km², a altitude máxima é de 61,10 metros e a altitude do exutório é de 34,90 metros. O fluxo das águas do escoamento superficial é direcionado para uma Lagoa de Detenção e Infiltração (Lagoa Mirassol), que está situada na região com cota topográfica inferior aos demais locais da bacia. Há somente um pequeno trecho de coletores de drenagem, situado a 7 metros da Lagoa. A entrada das águas pluviais se dá através de uma tubulação com diâmetro de 0,80 metros, que recebe o pequeno trecho de galeria e as bocas de lobos da entrada da lagoa, conforme apresentado na figura 4.



Figura 4: Delimitação da Área de Drenagem
Trata-se de uma área urbanizada, predominantemente residencial unifamiliar de padrão médio. Quanto aos aspectos sanitários os domicílios são atendidos pela rede pública de abastecimento de água, já os efluentes domésticos são dispostos principalmente através de tanques sépticos, nem sempre construídos de acordo com as técnicas sanitárias recomendadas, dispondo os efluentes por infiltração através de sumidouros. Os resíduos sólidos são coletados pelo serviço de limpeza pública municipal, com freqüência de 02 vezes por semana.


3.2.3- Amostragem

Os locais de amostragem para caracterização da variação da qualidade da água do escoamento superficial será no exultório da bacia de drenagem. Na extremidade da tubulação de drenagem que descarrega água pluvial na lagoa, foi construída uma plataforma para instalação dos equipamentos de coleta de dados (figura 5), na qual será disposto um amostrador automático (figura 6), que deve coletar, a cada 5 minutos, amostras da água do escoamento superficial urbano para sua análise.





Figura 5: Local de Instalação dos Equipamentos e Coleta das Amostras de Água Pluvial Urbana








Figura 6: Amostrador automático desenvolvido na UFRN

Os parâmetros a serem analisados estão apresentados no quadro 1. As técnicas para a determinação dos parâmetros (coleta, preservação, armazenamento e análises) seguirão os procedimentos padrões descritos no Standard Methods (APHA et al., 1998).


Quadro 1. Parâmetros para Análise

Parâmetros

Local de Análise

pH; Oxigênio Dissolvido; Demanda Bioquímica de Oxigênio; Demanda Química de Oxigênio; Sólidos Sedimentáveis; Sólidos Suspensos Totais; Sólidos Suspensos Fixos e Voláteis; Turbidez; Cor; Nitrogênio Orgânico (NTK); Amônia; Nitrito; Nitrato; Fósforo total e solúvel (ortofosfato); Condutividade elétrica; Cálcio; Magnésio; Potássio e Sódio; Cloretos; Sulfato; Sulfeto; Coliformes Termotolerantes; Ovos de helmintos; Óleos e graxas.

LARHISA

UFRN


Hidrocarbonetos Totais

ENG. QUÍMICA

UFRN


Metais pesados: Cobre, Chumbo, Zinco, Cádmio e Cromo.

ENG. QUÍMICA

UFRN


4- Modelagem

A modelagem dos processos hidrológicos é fundamental para a compreensão integrada dos fenômenos de transporte de águas pluviais e materiais que afetam a qualidade da água. Com um modelo calibrado, torna-se possível a realização de simulações que resultam na quantificação de riscos e eficiências dos sistemas de drenagem. No caso específico do projeto, a modelagem permitirá integrar as várias informações a serem levantadas e, pela concepção distribuída do modelo, compreender a gênese dos materiais e contaminantes carreados pelos deflúvios superficiais. O modelo a ser utilizado será do tipo distribuído, em que a bacia de drenagem é subdividida em células poligonais e dentro de cada célula realizada o balanço hídrico em que participam a precipitação, infiltração deflúvio superficial e as influências para as células vizinhas.

Até o presente momento foram desenvolvidas as atividades condizentes com a caracterização da área de drenagem e implementação dos dados adquiridos em software designado para trabalho com modelagem. Tais atividades incluem: análise e reconhecimento visual do ambiente com o objetivo de gerar conclusões sobre a geologia e a geomorfologia, determinação dos elementos responsáveis pela coleta e destino dos escoamentos superficiais gerados na bacia experimental, obtenção das características topográficas da referida área, caracterização da rede de drenagem com o uso do software SWMM (Storme Water Management Model).

Nos aspectos condizentes com a caracterização dos elementos de drenagem foram feitas inspeções no local de estudo para verificar e existência e condições de dispositivos como: bueiros, sarjetas, corta água, poços de visita, lagoa de captação entre outros. Tal verificação é tomada como de extrema importância por influenciar decisivamente na adoção e qualificação dos referidos elementos de drenagem diante do uso do SWMM.

A obtenção e digitalização das condições topográficas, com a aquisição das curvas de nível, possibilitaram, sobre aspecto de primeira iniciativa no ato da modelagem, indicar tendenciosamente o direcionamento dos escoamentos superficiais. Vale salientar que tais indicações podem sofrer alterações diante da observação de fatos reais incoerentes com os dados digitalizados. Portanto, as tendências geradas para o escoamento estão levando como fator determinante, em primeira instância, apenas as condições topográficas da área de estudo.

O uso do SWMM confere até o momento as seguintes responsabilidades:



  • Reconhecimento do modelo adotado;

  • Verificação das disponibilidades de recursos para adequação à área de estudo;

  • Verificação das possibilidades de retorno de dados pelo software;

Diante de reconhecimento foi verificado que o modelo já se apresenta bem difundido no trabalho com a modelagem. Outro fator decisivo é que o software não apresenta onerosidade e pode ser adquiro via internet.

O programa apresenta excelente disponibilidade de adequação à área de estudo por permitir a caracterização de elementos como:



  • Condutos (secções variadas);

  • Áreas geradoras individuais de escoamento superficial;

  • Junções;

  • Exutórios;

  • Divisores;

  • Reservatórios (nível fixo e variável)

  • Bombas;

  • Dispositivos para controle de fluxo;

  • Orifícios;

  • Pluviômetros.

O SWMM ainda possibilita caracterizar fatores hidrológicos como:



  • Temperatura (dados históricos a partir do dia, mês e ano ou importação de dados externos);

  • Evaporação (segundo dados temporais ou constantes);

  • Velocidade dos ventos (através de media mensal);

  • Neve (não aplicada para o caso).

O modelo admite que se ajuste as unidades de escoamento (CFS, CMS, GPM, LPS, MGD, MLD) bem como método de infiltração (Horton, Green Ampt, Curve Number) e o processo de roteamento (Steady Flow, Kinematic Wave, Dynamic Wave). Pode-se indicar as datas para o início e fim das analises e os períodos de tempo em que se deseja ser informado sobre determinada medição ou evento considerando ainda os dias antecedentes secos.

Diante das possibilidades foram desenvolvidas para a área de estudo a adoção das seguintes características:


  • As quadras da área de estudo foram consideradas como potenciais geradoras de escoamento superficial;

  • Cada quadra foi dividida tomando-se como semelhança um telhado de 04 (quatro) águas;

  • As ruas também são consideradas como subáreas na formação do escoamento. Esse processo desencadeia a implementação de coeficientes específicos para o referido tipo de subárea;

  • Foram geradas um total de 148 subáreas;

  • O valor numérico da área das quadras e das ruas foram retiradas do AUTOCAD e implementadas no SWMM em hectares;

  • Os escoamentos originados são conduzidos para os pontos de menor declividade através da definição de sarjetas, sendo o sentido do escoamento definido através da indicação do “nó” inicial e final do conduto;

  • A existência da sarjeta está condicionada ao encontro das ruas com as quadras;

  • As sarjetas foram definidas no programa como seção irregular. Tal definição propõe, de acordo com o software, indicação das rugosidades, declividades e comprimentos dos elementos da seção;

  • Os comprimentos das sarjetas foram retirados do AUTOCAD e incorporados no modelo na unidade métrica;

  • O encontro entre sarjetas origina uma junção, sendo esse ponto passível de medição e análise de determinados parâmetros.

As figuras 7 e 8, a seguir, indicam uma parcela dos processos descritos anteriormente.





Figura 7: Definição das subáreas




Figura 8: Definição das junções e dos sentidos do escoamento

Tabela 1 -Área dos subcatchmentes

ÁREA HECTARES

1

0,1905

25

0,2857

49

0,0461

73

0,05115

97

0,12267532

121

0,00925943

145

0,027656

2

0,0387

26

0,0529

50

0,0211

74

0,04763

98

0,03231641

122

0,00995583

146

0,013328

3

0,0365

27

0,0506

51

0,0239

75

0,05351

99

0,38495761

123

0,04738915

147

0,017899

4

0,1910

28

0,2900

52

0,0444

76

0,05728

100

0,06454249

124

0,0205072

148

0,020939

5

0,1926

29

0,2571

53

0,0187

77

0,04593

101

0,03952197

125

0,00669658

 

 

6

0,0372

30

0,0449

54

0,0209

78

0,06503

102

0,05043257

126

0,00661195

 

 

7

0,0385

31

0,0376

55

0,0463

79

0,05388

103

0,1516556

127

0,01821034

 

 

8

0,1919

32

0,2473

56

0,0209

80

0,04144

104

0,05443728

128

0,03995565

 

 

9

0,1914

33

0,2545

57

0,0237

81

0,08472

105

0,04526581

129

0,07319241

 

 

10

0,0362

34

0,0715

58

0,0480

82

0,10614

106

0,01560526

130

0,01705361

 

 

11

0,0423

35

0,0686

59

0,0229

83

0,09973

107

0,01174331

131

0,00812374

 

 

12

0,2097

36

0,3274

60

0,0231

84

0,06361

108

0,04493905

132

0,01882656

 

 

13

0,2077

37

0,0420

61

0,0849

85

0,51720

109

0,01299393

133

0,0418771

 

 

14

0,0673

38

0,0194

62

0,0198

86

0,24159

110

0,01121939

134

0,04731405

 

 

15

0,0944

39

0,0842

63

0,0198

87

0,23708

111

0,04083966

135

0,01354334

 

 

16

0,3185

40

0,0456

64

0,6887

88

0,23480

112

0,00739703

136

0,0129727

 

 

17

0,3138

41

0,0185

65

0,2329

89

0,23229

113

0,00879649

137

0,04133244

 

 

18

0,0510

42

0,0473

66

0,0590

90

0,28206

114

0,04541386

138

0,04771868

 

 

19

0,0505

43

0,0212

67

0,0607

91

0,28019

115

0,02092449

139

0,05925466

 

 

20

0,2912

44

0,0455

68

0,0467

92

0,26898

116

0,01837465

140

0,01510551

 

 

21

0,3063

45

0,0247

69

0,0461

93

0,26420

117

0,04623452

141

0,01373221

 

 

22

0,0560

46

0,0482

70

0,0394

94

0,28004

118

0,01922126

142

0,06177573

 

 

23

0,0512

47

0,0214

71

0,0470

95

0,27423

119

0,01864625

143

0,04841751

 

 

24

0,3206

48

0,0220

72

0,0424

96

0,15825

120

0,02057781

144

0,08618058

 

 

Com os dados relacionados aos eventos hidrológicos (chuva, temperatura, evaporação, etc) será possível executar gráficos como os que seguem abaixo (Figuras 9 e 10):





Figura 9: Seleção do tipo de gráfico




Figura 10: Gráfico de precipitação de chuva para a subárea 1
Os gráficos anteriores podem ser aplicados para qualquer subárea bem como as junções definidas ao longo da área de estudo.

5- Drenagem/ Resíduos Sólidos

6- Medidas Compensatórias

7- Indicadores do Meio Urbano

REFERÊNCIAS

AHLMAN, Stefan. Modelling of substance flows in urban drainage systems. 2006. 90 f.Tese (Doutorado em Engenharia Civil e Ambiental). Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Chalmers University of Technology, Göteborg, Suécia, 2006.


APHA et al., Standard methods for the examination of water and wastewater. 18th ed. New York, Public Health Association. 1998.

BAPTISTA, Márcio Benedito; NASCIMENTO, Nilo de Oliveira. Hidrologia urbana e drenagem. In: SEMINÁRIO QUALIDADE DAS ÁGUAS. BELO HORIZONTE. UFMG – Escola de Engenharia – Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos, 2005.

BRASIL. SECRETARIA NACIONAL DE SANEAMENTO AMBIENTAL. Gestão do território e manejo das águas urbanas. Brasília: Ministério das Cidades, 2005. 270 p.

GOONETILEKE, Ashantha; THOMAS, Evan. Water quality impacts of urbanization: evaluation of corrent research. Relatório de pesquisa. Energy & Resource Management Research Program, Centre for Built Environment and Engineering Research, Queensland University of Technology, 2003.

MAKSINOVIC, Cedo (Editor Chefe Oficial); NOUH, M. (Editor do Volumme III). In: Urban drainage in specific climates: Urban drainage in arid ande semi-arid climates. Urban stormwater pollution. v. 3. Documentos Técnicos em Hidrologia. UNESCO: Paris, 2001 (N.º 40, Vol III).

MOREIRA, L. F. F.; ARAÚJO, V. M.; SANTANA, S. C. Calibração de parâmetros hidrológicos numa bacia urbana em Natal. In: SIMPÓSIO DE RECURSOS HÍDRICOS, 5., 2000, Natal. Anais... Natal: ABRH, 200. p. 396-406.

NASCIMENTO, N.O.; ELLIS, J.B.; BAPTISTA, M.B.; DEUTSCH, J.C. Using detention basins: operational experience and lessons. Urban Water, 1, p. 113-124, 1999.
ZOPPOU, Christopher. Review of urban storm water models. Environmental Modelling & Software. 16, p. 195–231, 2001.

EQUIPE DE TRABALHO

Professores pesquisadores:

- Antônio Marozzi Righetto (Coordenador)

- Arthur Mattos

- Cícero Onofre de Andrade Neto

- João Abner Guimarães Júnior

- Lúcio Flávio Ferreira Moreira

- Luiz Pereira de Brito


Bolsistas e Mestrandos:

- Jislene Trindade (Bolsista IC - CNPq)

- Leonete Cristina de Araújo Ferreira (Mestranda - CAPES)

- Raniere Rodrigues Melo de Lima (Bolsista IC - CNPq)

- Thaise Emmanuele Andrade de Sales (Bolsista DTI III)

- Victor Moisés de Araújo Medeiros (Bolsista DTI II)






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