pavimento permeÁvel como tÉcnica compensatÓria na drenagem ... · compensatÓria na drenagem...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS
PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
AUTOR:
Artur Paiva Coutinho
RECIFE, PE - 2011
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS
PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
Mestrando:
Artur Paiva Coutinho
Orientador:
Prof. Dr. Antonio Celso Dantas Antonino
Co-Orientador:
Prof. Dr. Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral
RECIFE, PE - 2011
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ARTUR PAIVA COUTINHO Eng. Civil, Universidade Federal de Pernambuco, 2009
PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
RECIFE, PE
Agosto de 2011
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Civil da
Universidade Federal de Pernambuco,
Orientado pelo Prof. Dr. Antonio Celso
Dantas Antonino, como parte dos
requisitos para obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Civil.
iv
PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
Artur Paiva Coutinho
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE
PERNAMBUCO COMO PARTE INTEGRANTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS à OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL.
Aprovada por:
_______________________________________________
Antonio Celso Dantas Antonino, Ph.D.
(Orientador)
____________________________________________________
Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral, Ph.D.
(Co-orientador)
____________________________________________________
Suzana Maria Gico Lima Montenegro, Ph.D.
(Examinadora Interna)
____________________________________________________
Vladimir Caramori Borges de Souza, D.Sc.
(Examinador Externo)
____________________________________________________
Eduardo Soares de Souza, D.Sc.
(Examinador Externo
RECIFE, PE
Agosto de 2011
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Catalogação na fonte
Bibliotecária Valdicéa Alves, CRB-4 / 1260
C871p Coutinho, Artur Paiva.
Pavimento permeável como técnica compensatória na drenagem urbana
da cidade do Recife / Artur Paiva Coutinho - Recife: O Autor, 2013.
xx, 132 folhas, gráfs. Tabs.
Orientador: Prof. Dr. Antônio Celso Dantas Antonino.
Co-Orientador: Prof. Dr. Jaime Joaquim da Silva pereira Cabral
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG.
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, 2013.
Inclui Referências e Apêndices.
1. Engenharia Civil. 2. Pavimento permeável. 3. Infiltração. 4. Técnicas
compensatórias. 5. Drenagem urbana. 6. Hydrus 1- D 7. Águas pluviais. I
Antonino, Antônio Celso Dantas. (Orientador). II Cabral, Jaime Joaquim da
Silva ( Co-Orientador). III. Título
UFPE
624 CDD (22. ed.) BCTG/2013-338
vi
Dedicatória
A minha irmã Thayane (in memorian), aos
meus pais Artur e Prazeres Paiva, aos meus
avós Maria e Alfredo (in memorian) por
tudo que me ensinam e ensinaram.
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AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por ter me concedido o dom da vida e por me abençoar
diariamente através de trabalho e desafios. Agradeço a meus pais nas pessoas da minha
mãe Prazeres Paiva Candido,do meu pai Artur Coutinho e dos meus avós Maria Galindo
e Alfredo Primo Paiva (in memorian) pelo amor, pelo carinho e por priorizar a
educação mesmo em momentos difíceis.
Ao meu orientador, Professor Antonio Celso Dantas Antonino pela orientação
desde a minha primeira iniciação científica, pela cobrança e paciência, pelos puxões de
orelha, pelo apoio, por sempre acreditar em minha capacidade, pelas oportunidades de
aprender sempre mais, pelo incentivo em vários momentos e por ter influenciado nas
minhas escolhas o meu mais sincero obrigado.
Ao meu co-orientador, o professore Jaime Cabral, pelo incentivo, pelas
oportunidades concedidas, pelos debates e importantes diálogos sobre vários assuntos,
pelos excelentes livros emprestados, pelo apoio durante toda essa pesquisa, fico bastante
grato, obrigado!
A professora Suzana M.G.L Montenegro, pelo conhecimento repassado, pelas
palavras de incentivo, pela atenção destinada a minha pessoa e a essa pesquisa; lembro
de muitos artigos sobre o tema deste trabalho que hora eu recebia por email ou
simplesmente apareciam em cima da minha mesa. Agradeço também por ter me
influenciado decisivamente em gostar de Hidrologia para ensinar e pesquisar, os meus
mais sinceros agradecimentos.
Aos meus amigos Fernandhinha, Roberto Poio Omena pelas horas de
madrugada, domingos, feriados e dias santos gastos com entusiasmo na execução de
nossos primeiros artigos. Este trabalho faz parte de um sonho nosso!
A minha namorada Katiane, por ter me apoiado e entendido os momentos e
finais de semana em que não pudemos estar juntos tento em vista a realização deste
tabalho.
Aos alunos do GRH (Janduir, Glauber, João Salgueiro, Giuliano, Fernanda,
Daiana, Antonio Freire (sempre lembrando da hora do almoço), Hugo, o casal Manuela
e Edevaldo, e ao grande irmão Saraiva Glawbber aos meus companheiros de sala,
Albert, Tatiane e Tassia por aturarem minha “organização” e pelos momentos de
descontração e amizade nessa caminhada, aos demais pesquisadores especialmente a
viii
Leidjane Maria pelas palavras sempre sábias nas ocasiões mais diversas, sou grato pelo
excelente convívio e apoio durante todo o período dessa pesquisa.
Aos professores do GRH: Roberto Azevedo (grande rubro-negro), Alfredo,
Almir Cirilo e Ricardo Braga pelo aprendizado, conversas de corredor e atenção
sempre destinadas.
Ao trio Albert (sempre falando sobre o São Paulo e me aturando falar sobre o
Sport), Pedro Tyaquiça, grande amigo, sempre disponível e atencioso com todos e a
Janaina ( Jana Janinha) pelas conversas descontraídas, pelo apoio em todas as vezes que
precisei de ajuda A MACAFERRI , por ter doado o geotêxtil utilizado na execução
do experimento, especialmente na pessoa do Engenheiro Civil e amigo Jerônimo
Guerra por acreditar no sucesso deste trabalho.
A UFPE, universidade publica como muitas, de qualidade irretocável como
poucas, segunda casa dos que trabalham pela sua melhoria, obrigado pela formação!
A FACEPE pela concessão da bolsa de mestrado e incentivo a pesquisa no
estado de Pernambuco.
Ao Laboratório de Física do Solo, especialmente aos técnicos e amigos Kassio e
Antonio Marques pelo apoio fundamental nos trabalhos de campo e na realização dos
ensaios. E como esquecer das divertidas conversas com a Angelim, Carlos, Iane e
Claudio ? São muitas histórias!
A diretoria do CTG, nas pessoas do Diretor, Professor Edmilson e Vice- diretor
Prof. Antonino por ter cedido o espaço no estacionamento para a realização do
experimento, por ser sempre solicito aos pedidos, pelo excelente apoio disponibilizando
a estrutura do centro em vários momentos dessa pesquisa.
Aos professores Eduardo Soares de Souza e Vladimir Caramori de Souza pelas
sugestões e contribuições nesse trabalho, é uma honra tê-los na comissão julgadora.
(In memorian) a minha irmã Thayane Paiva, lembro-me dela diariamente e seu
sorriso e alegria refletem entusiasmo e força para continuar combatendo as adversidades
da vida.
ix
RESUMO
PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA
COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA
CIDADE DO RECIFE
Artur Paiva Coutinho
Em áreas urbanas, a crescente ocupação e impermeabilização dos lotes aliada à
falta de planejamento ambiental, tem resultado no aumento considerável de áreas
impermeáveis como, por exemplo: telhados, ruas, estacionamentos e outros, os quais
alteram significativamente as características qualitativas e quantitativas do ciclo
hidrológico. A consequência deste fato é a ocorrência indesejada de problemas de
desconforto urbano como as enchentes, o aumento da temperatura, o efeito estufa, e a
degradação das águas pluviais, dentre outros.
No caso de Pernambuco, o problema já existe nas áreas urbanas da Região
Metropolitana do Recife que por serem muito planas e com baixa declividade
apresentam muitos problemas de alagamentos principalmente nos meses de maio, junho
e julho.
Sistemas de infiltração como pavimentos permeáveis, apresentam-se como
alternativas que permitem uma redução do pico e dos volumes dos hidrogramas de
escoamento superficial gerados, permitindo também uma redução da carga poluente,
além de favorecer a recarga quantitativa dos lençóis freáticos por infiltração. O objetivo
geral deste trabalho é o estudo do uso da técnica pavimento permeável no
amortecimento de alagamentos por ocasião das chuvas torrenciais na cidade do Recife.
O pavimento foi dimensionado para um tempo de retorno de 2 anos e foi executado no
estacionamento do Centro de Tecnologia e Geociências da UFPE resultando em uma
seção de 64 cm de espessura.
O trabalho consta de um monitoramento durante duas quadras chuvosas nos anos
de 2010 e 2011 de varáveis com precipitação pluviométrica, níveis d’água diários e
automáticos da camada de reservatório do pavimento além do monitoramento diário do
potencial matricial da água no solo permitindo avaliar a dinâmica de redistribuição da
água infiltrada. O solo do material de revestimento e do subleito foram caracterizados
utilizando a metodologia Beerkan.
Além disso, foram realizadas simulações numéricas do escoamento e da
dinâmica da água no solo (subleito) do pavimento utilizando o Hydrus 1- D, analisando
cenários de escoamento, considerando chuvas de projeto baseadas na Metodologia do
Bureau Reclamation, chuvas com intensidade constante para vários tempos de retorno.
Como dados de entrada foram utilizados as características do solo suporte do
experimento como granulometria e parâmetros da curva de retenção de água no solo,
além dos potenciais medidos diariamente.
Como resultados observou-se que a camada do revestimento apresentou
características de infiltração maiores que a camada do subleito, alguns eventos
apresentaram extravasamento mostrando que a metodologia de dimensionamento
adotada tinha subdimensionado o sistema, os níveis d’água na camada do reservatório
apresentaram elevada sensibilidade aos eventos de precipitação. Além disso, o
x
pavimento mostrou capacidade para drenar, em menos de 24 horas, o seu volume
mostrando-se preparado para receber o aporte de água decorrentes de outros eventos.
Palavras-chave: pavimento permeável, infiltração, técnicas compensatórias, drenagem
urbana, Hydrus 1-D, águas pluviais.
xi
PERMEABLE PAVEMENT AS A COMPENSATORY
TECHNIQUE IN URBAN DRAINAGE IN THE CITY OF
RECIFE
In urban areas, increasing occupancy and waterproofing of the lots combined
with the lack of environmental planning, has resulted in considerable increase in
impermeable areas such as: roofs, streets, parking lots and others, which significantly
alter the qualitative and quantitative features of the hydrological cycle. The consequence
of this fact is the occurrence of unwanted discomfort urban problems such as flooding,
rising temperatures, global warming and the degradation of rain water, and others.
In the case of Pernambuco, the problem already exists in urban areas in the
Metropolitan Region of Recife, which are very flat and low slope and for this reason,
they present many problems of flooding, especially during May, June and July.
Infiltration systems such as permeable pavements are presented as alternatives
that allow the reduction of the peak and volumes of run-off hydrographs generated,
allowing as well, a reduction of the pollution load, in addition to promoting the
quantitative recharge of groundwater by infiltration. The aim of this work is the study of
the use of the permeable pavement technique in damping flooding due to torrential rains
in the city of Recife. The pavement was designed for a return period of 2 years and was
executed in the parking lot of the Center for Technology and Geosciences of UFPE
resulting in a section of 64 cm thick.
The study consists of the monitoring, during two rainy blocks in the years of
2010 and 2011, variables with rainfall, daily water and automatic level of the reservoir
layer of the pavement beyond the daily monitoring of matric potential of water in soil
allowing to evaluate dynamics of the redistribution of infiltrated water. The coating and
subgrade material soil were characterized using Beerkan methodology.
Moreover, numerical simulations were performed for flow and dynamics of the
water in the soil (subgrade) of the pavement using Hydrus 1 – D, analyzing run-off
rainfall scenarios using project rainfalls based in the methodology of Bureau of
Reclamation, rain with constant intensity for various return periods. Granulometry and
parameters of the retention curve of water in soil, besides the potentials daily measured
– characteristics of the soil of experiment – were used as input data.
As results, it was observed that the coating layer showed infiltration features
higher than the subgrade layer; some events presented overflowing, showing that the
design methodology adopted has undersized the system, the water level in the reservoir
layer showed high sensitivity to precipitation events. In addition, the pavement showed
capacity to drain in less than 24 hours the volume, showing that it is able to receive the
water intake caused by other events. Key Words: permeable pavement, infiltration, compensatory techniques, urban
drainage, Hydrus 1-D, rainwater.
xii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Crescimento populacional da cidade do Recife (IBGE, 2010). 5 Figura 2- Influência do incremento da urbanização na geração do escoamento
superficial direto. Adapado da United States Environmental Protection Agency (EPA)
(2005). 7
Figura 3- Cenários de hidrogramas para bacia natural, bacia urbanizada e bacia
urbanizada com aplicação de BMPs. 8
Figura 4– Esquema do funcionamento dos dispositivos de infiltração. Fonte:
ECOPLUIES (2009). 11
Figura 5 - Esquema de trincheira de infiltração. Fonte: Nascimento (1996). 13
Figura 6 - Esquema simplificado de trincheiras de infiltração e modo de alimentação.
Fonte: Leeflang et al. (1998). 13
Figura 7 – Diferentes tipos de superfícies para simulação do escoamento superficial.
Fonte: Araujo et al.2000. 17
Figura 8 – Esquema de pavimento permeável em escala de laboratório. Adaptado de
Lllgen et al .2006. 19
Figura 9- Evolução da redistribuição da umidade no solo para as durações de: a)
5min, b) 10 min, c) 20 min e d) 25 min. Fonte: Lllgen et al ., 2006. 20
Figura 10- Presença de muitas folhas na superfície do pavimento permeável 24
Figura 11 - O solo como um sistema trifásico. Fonte: Adaptado de Hillel (1998). 25
Figura 12 – Curvas de retenção para diferentes tipos de solo obtidas usando o Hydrus
-1D. 30
Figura 13- Perfil de umidade no solo durante a infiltração. Adaptado de Asawa
(2005). 32
Figura 14- Taxa de Infiltração e infiltração acumulada para solos inicialmente seco e
para o mesmo solo inicialmente úmido. Fonte: Brandão (2006). 33
Figura 15 – Localização do pavimento permeável experimental. 37
Figura 16- Precipitação média mensal para a cidade do Recife no período 1994- 2010.
Fonte dos dados: APAC/LAMEPE. 38
Figura 17- Infiltração acumulada obtida para a superfície do solo natural ou base do
pavimento permeável. 39
Figura 18– Estrutura das camadas do pavimento permeável. 44 Figura 19- Foto do espaço dimensionado para a execução do módulo experimental do
pavimento permeável. 45 Figura 20 – Pavimento permeável preenchido com brita. Vista dos poços de
observação (parte de cima e de baixo da foto). Notar tubo de acesso para sonda de
nêutrons no meio. 46 Figura 21 – Pavimento permeável preenchido com brita e posteriormente execução da
camada de geotêxtil drenante. 47
Figura 22- Camada de areia sobreposta a camada de bidim (a esquerda) e execução do
revestimento em blocos intertravados de concreto vazados. 47
Figura 23 - Execução da camada do revestimento para o pavimento permeável, notar
espaços vazios a espera da grama e que as juntas foram preenchidas com argamassa 48
Figura 24- Pluviômetro automático instalado ao lado do pavimento permeável 48
Figura 25 - Curva granulométrica para a camada de revestimento e para as
profundidades de 0 a 100 cm do solo natural (solo suporte ou subleito) do pavimento 50
xiii
permeável.
Figura 26 - a)Sensor de nível utilizado para medição do nível no piezômetro do
pavimento permeável. b) Fixação do sensor de nível a tampa do piezômetro. 52 Figura 27- Profundidades de instalação dos tensiometros para monitoramento do
potencial matricial do solo. 53
Figura 28 – Evolução da precipitação pluviométrica para o período de junho de 2010
a dezembro de 2010 para a estação Várzea-Lamepe. 56
Figura 29 - Espessura da camada de brita do pavimento permeável para durações de
projeto associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20 anos. 57 Figura 30 – Incremento da espessura da camada de agregado graúdo do pavimento
permeável para durações de projeto associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20
anos. 58
Figura 31– Curva de retenção obtida experimentalmente para o solo existente na
camada de revestimento do pavimento permeável. 59
Figura 32 – Infiltração acumulada para a camada superficial do revestimento – Ajuste
aos modelos de Horton e de Philip. 60
Figura 33 – Curva de retenção obtida pela metodologia Beerkan para as camadas do
revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito para o pavimento
permeável 63
Figura 34 – Curva de condutividade hidráulica obtida pela metodologia Beerkan para
as camadas do revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito
para o pavimento permeável 64
Figura 35 – Curva característica obtida experimentalmente e estimada pela
metodologia Beerkan. 65
Figura 36- Precipitação total diária para o mês de abril de 2011. 66
Figura 37- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 18/04/2011. 67
Figura 38- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
18/04/2011. 67
Figura 39- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 19/04/2011. 68
Figura 40 - Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
19/04/2011. 68
Figura 41- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 20/04/2011 69
Figura 42- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
20/04/2011. 69
Figura 43- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 29/04/2011. 70
Figura 44- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
29/04/2011. 71
Figura 45- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 30/04/2011. 71
Figura 46- Variação do nível do nível de água no reservatório do pavimento
permeável em 30/04/2011. 72
Figura 47-Precipitação pluviométrica diária para o mês de maio de 2011. 73
Figura 48- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 01/05/2011. 73
xiv
Figura 49- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
01/05/2011. 74 Figura 50- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 02/05/2011. 75
Figura 51- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
02/05/2011. 76
Figura 52 - Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 03/05/2011. 77
Figura 53 - Variação do nível de água a no reservatório do pavimento permeável em
03/05/2011. 78
Figura 54- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 04/05/2011. 79
Figura 55- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
04/05/2011. 79
Figura 56- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 05/05/2011. 80
Figura 57- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
05/05/2011. 80
Figura 58- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 10/05/2011. 81
Figura 59- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
10/05/2011. 82
Figura 60- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 11/05/2011. 83
Figura 61- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
11/05/2011. 84
Figura 62- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE
em 19/05/2011. 85
Figura 63- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
19/05/2011 86
Figura 64- Perfil de potencial matricial da água no solo para o período de 16/04/2011
a 20/04/2011. 87
Figura 65- Perfil de potencial total da água no solo para o período de 16/04/2011 a
20/04/2011. 88
Figura 66- Curva característica calculada e ajustada para o topo do subleito do
pavimento 89
Figura 67- Perfis de umidade volumétrica calculados para o período de 16/04/2011 a
20/04/2011 90
Figura 68- Perfis de potencial matricial monitorados para o período de 28/04/2011 a
01/05/2011 90
Figura 69- Perfis de potencial total monitorados para o período de 28/04/2011 a
01/05/2011 91
Figura 70- Perfis de umidade volumétrica calculados para o período de 28/04/2011 a
01/05/2011 92
Figura 71- Perfis de potencial matricial para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011 93
Figura 72- Perfis calculados de umidade volumétrica para o período de 02/05/2011 a
06/05/2011. 94
Figura 73- Perfis de potencial total para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011. 95
Figura 74- Precipitação pluviométrica diária para o mês de junho de 2011 96
xv
Figura 75- Precipitação pluviométrica diária, níveis máximos diários e níveis mínimos
diários para o período correspondente a 01/07/2011 a 12/07/2011 97
Figura 76- Pavimento permeável como solo sem vegetação. Período de julho de 2011 97
Figura 77- Condição inicial de potencial matricial adotada na simulação 100 Figura 78- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada de
revestimento para diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito
do pavimento 101
Figura 79- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo
do reservatório com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do
subleito do pavimento 102
Figura 80- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada da base
do reservatório diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do
pavimento 103
Figura 81- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo
do solo natural com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do
subleito do pavimento 103
Figura 82- Esquema das condições de contorno adotada para essa simulação 104
Figura 83- Chuva de projeto com duração de 30 minutos e tempo de retorno de 2, 5,
10 e 25 anos para a cidade do Recife. 105
Figura 84 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um
solo natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica
inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 2 anos. 106
Figura 85- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento
permeável 107
Figura 86 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um
solo natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica
inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 5 anos 108
Figura 87- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento
permeável 109
Figura 88- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um
solo natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica
inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 10 anos. 110
Figura 89- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um
solo natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica
inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 25 anos. 110 Figura 90- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento
permeável para a duração de 15 minutos após o inicio da precipitação e tempos de
retorno de 2 a 25 anos 111
Figura 91- Ajuste das vazões de pico do hidrograma de escoamento superficial com
os seus respectivos tempos de retorno da precipitação de projeto 112
Figura 92- Hidrogramas de escoamento superficial simulado pelo Hydrus 1-D para o
pavimento permeável submetido a precipitações pluviométricas de intensidade
constante com tempos de retorno de 5,10 e 25 anos. 113
xvi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Efeitos da urbanização sobre as inundações urbanas. Fonte: Tucci,
2009.
3
Tabela 2 - Classificação textural, massa específica do solo, massa específica das
partículas do solo e porosidade teórica para os solos do revestimento e
subleito do pavimento permeável.
50
Tabela 3 - - Parâmetros de forma da curva de distribuição do tamanho das
partículas.
61
Tabela 4 - Resultados do parâmetro de forma das relações h(θ) e K(θ). 61
Tabela 5 - Valores de S, Ks, θs e hg obtidas através da metodologia Beerkan para
as camadas do revestimento, superfície do subleito e a 20 cm do
subleito do pavimento permeável
62
Tabela 6 - Propriedades hidrodinâmicas do solo natural estimadas pelo Hydrus 1-
D a partir do software Rosetta.
98
Tabela 7 - Parâmetros Hidráulicos das camadas do pavimento permeável 99
xvii
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
APAC Agência Pernambucana de Águas e Clima
ASTM American Society for Testing and Materials
BMP Best Management Pratices
CTG Centro de Tecnologia e Geociências
DEN Departamento de Energia Nuclear
EEP Escola de Engenharia de Pernambuco
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
LAMEP Laboratório de Meteorologia de Pernambuco
LID Low Impact Development
NBR Norma Brasileira
NCPTC National Concrete Pavement Technology Center
PAC Programa de Aceleração do Crescimento
RMR Região Metropolitana do Recife
SCS Soil Conservation Service
UFPE Universidade Federal de Pernambuco
xviii
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo Significado Dimensão
A parâmetro da equação de Philip [L.T-1]
ADRE Área de drenagem [L²]
AINF área de infiltração [L²]
B largura do pavimento permeável [L]
C Coeficiente de escoamento adimensional
C(h) Capacidade Capilar [L-1]
Cλm numero de poros [L]
D Diametro efetivo de uma particula de solo [L]
Dg Parametro de escala do tamanho das partículas [L]
F(D) Distribuição dos tamanhos das partículas g aceleração da gravidade [L]
H Espessura da camada de brita [L]
h Potencial Matricial [L]
HT Potencial total [L]
hg Parametro de normalização [L]
hm Potencial Matricial [L]
I Infiltração acumulada [L]
i Taxa de Infiltração [L.T-1]
if Taxa de Infiltração final [L.T-1]
ii Taxa de Infiltração Inicial [L.T-1]
K Condutividade Hidraulica [L.T-1]
Ks Condutividade Hidraulica Saturada [L.T-1]
L Comprimento longitudinal do pavimento permeavel [L]
L Profundidade de instalção das capsulas porosas [L]
Lhg Altura da coluna de Mercúrio [L]
m Parâmetro de forma da curva de retanção adimensional
M Parametro de forma da curva de F(D) adimensional
Ma Massa de ar [M]
Ml Massa de Agua [M]
Ms Massa de sólidos [M]
Mt Massa total de uma amostra de solo [M]
n Parâmetro de forma da curva de retanção adimensional
N Parametro de forma da curva de F(D) adimensional
P Potencial de Pressão [L]
pm indice de forma do meio Po Potencial osmótico [L]
q Fluxo [L.T-1]
S Sorvidade do solo [L.T-0,5
s Dimensão fractal T Tempo de retorno [T]
xix
Va Volume de ar [L³]
Vl Volume de água [L³]
Vs Volume de sólidos [L³]
Vt Volume total de uma amostra de solo [L³]
Vv Volume de vazios [L³]
W Umidade gravimétrica [M.M-1]
Ycubeta distancia vertical da cubeta a um nível de referencia [L]
z potencial gravitacional [L]
β Constante de decaimento [T-1]
δ parametro de forma da difusividade η Parametro de forma da equação de Brooks & Corey η Porosidade ηb porosidade da brita θ umidade volumétrica [L3.L-3]
θs umidade volumétrica de saturação [L3.L-3]
λc Escala de comprimento capilar [L]
λm Raio caracteristico de poros [L]
μ Coeficiente de viscosidade dinâmica [M.L-1.T-1]
ρs Massa específica das partúlas de solo [M.L-3]
σ Tensão superficial da água [M.T-2]
xx
Combati o bom combate,
completei a corrida, guardei a
fé!
2Tm 4.7
1
Sumário 1.0-INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 3
2.0- OBJETIVOS ............................................................................................................................. 9
2.1-OBJETIVO GERAL ..................................................................................................................... 9
2.2-OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................................... 9
3.0-OS SISTEMAS DE INFILTRAÇÃO ................................................................................... 10
4.0-TRINCHEIRAS DE INFILTRAÇÃO ................................................................................. 12
5.0- PAVIMENTO PERMEÁVEL E DRENAGEM URBANA ................................................. 15
5.1- PAVIMENTOS PERMEÁVEIS: COMPONENTES E MATERIAS UTILIZADOS .............................. 23
5.2- MANUTENÇÃO DOS PAVIMENTOS PERMEAVEIS ............................................................... 23
6.0- MOVIMENTO DA ÁGUA NO SOLO ................................................................................ 25
6.1 – SOLO, DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES CARACTERISTICAS. .................................................. 25
6.2-RELAÇÕES HÍDRICAS NO SOLO ........................................................................................... 27
6.2.1-FLUXO DA ÁGUA NO SOLO EM CONDIÇÕES DE SATURAÇÃO. ........................................... 27
6.2.2- FLUXO EM CONDIÇÕES DE SOLO NÃO SATURADO - A EQUAÇÃO DE RICHARDS ............... 28
6.2.3- CURVAS DE RETENÇÃO DA ÁGUA NO SOLO UTILIZANDO O HYDRUS 1-D ......................... 29
6.2.4- PARÂMETROS DA EQUAÇÃO DE FLUXO .......................................................................... 30
6.3-MODELOS DE INFILTRAÇÃO ............................................................................................... 31
6.3.1-CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE A INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO ....... 31
6.3.2-COMPORTAMENTO DA INFILTRAÇÃO ................................................................. 32
6.3.3- O MODELO DE KOSTIAKOV ................................................................................... 34
6.3.4- O MODELO DE KOSTIAKOV-LEWIS ...................................................................... 35
6.3.5- O MODELO DE HORTON ......................................................................................... 35
6.3.6- O MODELO DE PHILIP ............................................................................................. 36
6.3.7- O MÉTODO BEERKAN ............................................................................................. 36
7.0-MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................ 37
7.1-LOCALIZAÇÃO E CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO .............................. 37
7.2- ENSAIOS DE INFILTRAÇÃO ....................................................................................... 38
7.2.1- O MÉTODO BEERKAN ............................................................................................. 39
7.3-DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO PERMEAVEL ............................................ 41
7.4. DESCRIÇÃO DO MÓDULO EXPERIMENTAL ........................................................... 44
7.5- PRECIPITAÇÃO ........................................................................................................... 48
7.6-CARACTERIZAÇÃO DO SOLO (SUBLEITO) DO PAVIMENTO ............................... 49
2
7.7 – MONITORAMENTO DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO PAVIMENTO PERMEAVEL ..... 51
7.9 - MONITORAMENTO DIÁRIO DO POTENCIAL MATRICIAL DA ÁGUA NO SOLO
.............................................................................................................................................. 52
7.10-O HYDRUS 1-D ............................................................................................................. 53
7.11-HIPÓTESES E CONSIDERAÇÕES ADOTADAS NAS SIMULAÇÕES NUMÉRICAS
UTILIZANDO O HYDRUS 1-D ............................................................................................ 54
8.0-RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................................... 56
8.1-PRECIPITAÇÃO PLUVIOMÉTRICA NO PERÍODO CONSIDERADO ....................... 56
8.2-ANÁLISE DA SENSIBILIDADE DO DIMENSIONAMENTO ....................................... 56
8.3-CARACTERÍSTICAS DA CAMADA DO REVESTIMENTO E DO SUBLEITO DO
PAVIMENTO ........................................................................................................................ 58
8.4-ANÁLISE DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO DO PAVIMENTO PERMEAVEL ................... 65
8.4.1-Eventos do mês de abril de 2011 ................................................................................. 65
8.4.2-Eventos do mês de maio de 2011 ................................................................................ 72
8.4.3-Perfis de umidade volumétrica e de potencial matricial para eventos selecionados nos
meses de abril e maio de 2011. ............................................................................................ 86
8.4.4-Eventos do mês de junho de 2011. .............................................................................. 95
8.4.5-Eventos do mês de julho de 2011. ............................................................................... 96
8.5 - SIMULAÇÃO NUMÉRICA USANDO O HYDRUS 1-D ............................................... 97
9.0-CONCLUSÕES ...................................................................................................................... 114
10.0-RECOMENDAÇÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ........................................... 115
10.0-REFERÊCIAS ...................................................................................................................... 117
11-APÊNDICE ............................................................................................................................ 132
3
1.0-INTRODUÇÃO
Atualmente, o elevado grau de urbanização e a impermeabilização das superfícies são
fatos evidentes em todo o Brasil, trazendo como consequência a ocupação desordenada em
áreas de risco (regiões ribeirinhas, morros e encostas), o aumento da velocidade e do volume
do escoamento superficial direto, o aumento da temperatura, a degradação da qualidade da
água, ocasionando como efeito diversos prejuízos à sociedade.
A urbanização como toda obra que interpõe estruturas pouco permeáveis entre o solo e
a chuva, faz com que o escoamento seja incrementado e que a infiltração diminua numa
mudança de regime de escoamento localmente mais drástica do que aquela provocada pelo
desmatamento (MAPLU, 2009).
O crescimento desordenado da população, a falta de gestão integrada no planejamento
urbano, a insuficiência das instalações de sistema de esgotos sanitário e pluvial trazem sérios
problemas para as cidades que na sua maioria ainda não dispõem de Planos Diretores de
Desenvolvimento Urbano. As áreas urbanas ficam cada vez mais impermeabilizadas, ocorre o
aumento dos volumes do escoamento superficial e a aceleração dos escoamentos e, como
consequência, alagamentos e inundações.
A ocupação urbana também provoca alterações físicas como o aumento da
temperatura, provocado pelas superfícies que absorvem mais o calor da radiação solar a
exemplo do concreto e do asfalto. Produzindo assim o aumento da temperatura ambiente
gerando desconforto térmico e aumentando o consumo de energia. Muitas cidades com climas
tropicais desmatam totalmente a cobertura vegetal e implementam áreas impermeáveis,
criando desconforto térmico e prejuízos durante períodos chuvosos. Quando o
desenvolvimento urbano possui planejamento com ações adequadas, as áreas verdes são
preservadas não apenas para recreação, mas para diminuir a temperatura, amortecer e
armazenar o volume de escoamento superficial gerado, integrando as estruturas de drenagem
ao meio ambiente urbano.
A Tabela 1, adaptada de Tucci (2009), relata as principais causas e efeitos da
urbanização sobre as inundações urbanas. Observa-se que como o subsistema de drenagem é
parte de um sistema urbano muito mais complexo, ele deve ser articulado com os outros
subsistemas como resíduos sólidos e esgotamento sanitário, por exemplo, uma vez que essas
desarticulações podem provocar conforme Tabela 1, problemas de qualidade das águas
pluviais urbanas.
Tabela 1- Efeitos da urbanização sobre as inundações urbanas. Adaptado de Tucci, 2009.
4
A ocupação territorial urbana, sem o devido planejamento integrado das diversas infra-
estruturas necessárias ao desenvolvimento harmônico da cidade, desencadeou o surgimento de
problemas de drenagem por ocasião dos eventos hidrológicos de alta intensidade.
Inicialmente, as áreas mais afetadas se localizavam próximas aos cursos de água, em locais de
ocupação da calha secundária e nos trechos de jusante em relação a utilização das áreas
ribeirinhas. Com a expansão territorial, e mesmo com existência de legislações como as leis
federais 4771/65 e 6766/79 , a falta de uma fiscalização que garantissem o disciplinamento
adequado do uso e ocupação do solo fizeram com que os problemas de alagamentos e
inundações fossem se intensificando e se distribuindo ao longo das linhas naturais de
escoamento dos deflúvios superficiais em função da planialtimetria da cidade e do grau de
impermeabilização da área de drenagem (MAPLU, 2009).
No caso de Pernambuco, o problema já existe nas áreas urbanas da Região
Metropolitana do Recife (RMR) que apesar de representar apenas 3% da área do território
pernambucano, concentra 42% da população do estado e mais da metade do PIB estadual
(IBGE, 2010). Tal concentração populacional em uma área pequena se deu de maneira
acelerada (Figura 1), motivando a ocupação de áreas de risco como morros e áreas ribeirinhas.
Lixo
Degradação da qualidade da água
Entupimento de Bueiros e galerias
Redes de esgotos deficientes
Degradação da qualidade da água
Moléstias de Veiculação Hídrica
Desmatamento e desenvolvimento
indisciplinado
Maiores picos e volumes
Mais erosão
Assoreamento em canais e galerias
Ocupação das várzeas
Maiores prejuízos de inundações
Maiores picos
Maiores custos de utilidades públicas
5
Figura 1- Crescimento populacional da cidade do Recife (IBGE, 2010).
Os problemas das águas pluviais nas áreas urbanas da RMR se agravam por fatores
naturais como a topografia da região que se apresenta com áreas muito planas e com baixa
declividade resultando em baixos gradientes hidráulicos. Além disso, alterações artificiais na
bacia como aterramento dos mangues e o elevado teor de lixo no sistema de drenagem
causado pela falta de uma política de conscientização e educação ambiental para a população
apresentam muitos problemas de alagamentos principalmente nos meses de maio, junho, julho
e agosto, período no qual se concentra a estação chuvosa.
Além disso, segundo Cabral e Alencar (2005), a cidade do Recife possui riscos de
alagamentos devido a várias causas. Entre as quais se observa de forma mais significativa às
chuvas torrenciais na própria área da cidade, as chuvas torrenciais nas áreas mais elevadas das
cidades vizinhas, inundações fluviais causadas por chuvas nas bacias hidrográficas dos rios
que cortam a cidade e marés altas de maior amplitude que chegam a alagar algumas partes
baixas da cidade.
As soluções clássicas para esse problema resolvem da forma mais eficiente possível à
água dos centros urbanos. Para tanto, as ações se concentram na execução de obras
hidráulicas (medidas estruturais), tais como a construção de redes de drenagem, canalizações
e retificações de corpos d’água, construção de galerias, dentre outras, a partir das análises
econômicas dos benefícios e dos custos desta medida (Canholi, 2005).
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
1.200.000
1.400.000
1.600.000
1.800.000
1630
1654
1709
1790
1810
1838
1872
1890
1900
1920
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2006
2010
Popula
ção
Ano
6
As limitações das soluções clássicas são ressaltadas pelos prejuízos e dificuldades que
as grandes cidades enfrentam para resolver problemas de cheias urbanas, ou seja, à medida
que o centro urbano se desenvolve faz-se necessário um remodelamento do sistema de
drenagem para adaptá-lo a uma nova situação com hidrogramas de cheias mais rápidos e mais
críticos. Dessa forma essas medidas não são definitivas ou sustentáveis, resolvendo o
problema de cheia em uma área, mas transferindo esse problema para jusante, demandando
assim, o redimensionamento da rede de drenagem a jusante e resultando em custos elevados e
cada vez mais onerosos para a sociedade (Souza e Goldefum, 1999).
A medida de controle de escoamento na microdrenagem tradicionalmente utilizada
consiste em drenar a área desenvolvida através de condutos pluviais até um coletor principal
ou riacho urbano. Esse tipo de solução acaba transferindo para jusante o aumento do
escoamento superficial com maior velocidade, já que o tempo de deslocamento do
escoamento é menor que nas condições pré-existentes. Dessa forma, acaba provocando
inundações nos troncos principais ou na macrodrenagem (Tucci, 2002).
Além disso, a expansão das áreas urbanas modifica a ocorrência natural do ciclo
hidrológico, pois, com o ambiente impermeabilizado, parte da água que infiltrava, evaporava
ou era retida pela cobertura vegetal, passa a compor o escoamento superficial. Nessas
condições ocorre aumento da velocidade de escoamento, redução do tempo de concentração
na bacia, aumento e antecipação na vazão a qual pode ter seu valor de pico aumentado em até
seis vezes (Tucci, 2009).
A Figura 2 ilustra os efeitos do incremento da urbanização sobre o ciclo hidrológico.
Observa-se que com o aumento gradativo da impermeabilização, ocorre uma progressiva
diminuição da infiltração rasa e profunda, diminuindo conseqüente a recarga dos lençóis de
água subterrânea. Além disso, ressalta-se também uma diminuição da evapotranspiração, uma
vez que a impermeabilização das superfícies ocasiona um decrescimento da cobertura vegetal
e do conteúdo de água no solo da bacia hidrográfica.
7
Figura 2- Influência do incremento da urbanização na geração do escoamento superficial
direto. Adapado da United States Environmental Protection Agency (EPA) (2005).
A urbanização tem também consequências não hidrológicas que interferem
significativamente nas questões da drenagem urbana, principalmente se forem consideradas as
condições brasileiras das últimas décadas, marcadas pelo crescimento acelerado e caótico das
populações urbanas. Os impactos mais importantes são as consequências sobre a ocupação do
solo como proliferação de loteamentos executados sem condições técnicas adequadas;
ocupação de áreas impróprias (várzeas de inundação e cabeceiras íngremes); propagação de
favelas e invasões além de ocupação extensa e adensada dificultando a construção de
canalizações e eliminando áreas de armazenamento (Tucci, 2009). Segundo Fergunson
(2005), as edificações são responsáveis por uma faixa de 30 - 35% das áreas impermeáveis
enquanto que as superfícies pavimentadas correspondem aos 60 - 65% restantes. Nesse
sentido, nota-se a necessidade da utilização de novas tecnologias que busquem reduzir a
geração de escoamento na pavimentação de superfícies.
Basicamente, o incremento do escoamento superficial é resultado das ações do homem
sobre o meio ambiente, ocasionando modificações hidrológicas que geralmente acompanham
o desenvolvimento urbano. Nesse contexto, surgiram novas práticas com o objetivo de
8
diminuir ou compensar o impacto gerado pela urbanização. Essas práticas são denominadas
“Low Impact Development” (LID), que são novas formas de manejo sustentável das águas
pluviais urbanas, e possuem como objetivo gerar um desenvolvimento que promova a redução
do volume de escoamento superficial direto e a redução da poluição das águas pluviais pelo
restabelecimento das condições de infiltração e armazenamento em nível local (controle na
fonte) e global na bacia hidrográfica.·.
De acordo com a EPA (2009), as formas mais comuns das LID são as medidas de
conservação e/ou preservação das áreas naturais e das várzeas de inundação, a adoção dos
sistemas de infiltração, os reservatórios para armazenamento da água escoada, os sistemas de
filtração.
Na tentativa de se proteger contra as cheias urbanas, evitando o redimensionamento do
sistema de drenagem, surge a idéia de reconstituir a vazão de pré-ocupação, fazendo com que
a água da chuva volte a ser interceptada, antes de atingir a rede de drenagem. Dessa forma as
chamadas medidas alternativas ou compensatórias de drenagem, também chamadas BMPs
(Best Managment Practices), como pavimento poroso, trincheiras de infiltração, reservatório
de detenção, dentre outras, se apresentam como bons instrumentos de controle do escoamento
superficial tendo como objetivo preservar as condições hidrológicas da bacia pré-urbanizada,
apresentando os processos naturais para promover a drenagem e disposição das águas
pluviais, reduzindo os impactos para um nível aceitável (Figura 3).
Figura 3- Cenários de hidrogramas para bacia natural, bacia urbanizada e bacia urbanizada
com aplicação de BMPs.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 3 6 9 12 15
Vaz
ão d
e es
coam
ento
super
fici
al
tempo
Bacia urbanizada
Bacia natural
Bacia urbanizada com aplicação de BMPs
9
2.0- OBJETIVOS
2.1-OBJETIVO GERAL
Estudar o uso de um pavimento permeável na Cidade do Recife, avaliando o
comportamento hidráulico e hidrológico deste dispositivo, experimentalmente e por meio de
simulação numérica.
2.2-OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Como objetivos específicos podem ser citados:
Instalar um dispositivo experimental e realizar o monitoramento de um
pavimento permeável;
Avaliar a capacidade tanto da camada de revestimento quanto da camada de
base de um pavimento permeável composto por blocos intertravados
preenchidos com grama na retenção, infiltração e amortecimento das vazões de
escoamento superficial em uma área de estacionamento;
Simulação numérica do escoamento superficial direto e da dinâmica da água
no solo suporte para o pavimento permeável, analisando cenários de
funcionamento do dispositivo utilizando o Hydrus – 1D;
10
3.0-OS SISTEMAS DE INFILTRAÇÃO
Os sistemas compensatórios de infiltração são dispositivos que facilitam a retenção e o
amortecimento do escoamento superficial direto, possibilitando o escoamento das águas
pluviais para o subsolo, desempenhando funções de controle dos fluxos de água na superfície
e de poluentes provenientes (hidrocarbonetos, metais pesados) das bacias de drenagem. Esses
dispositivos precisam ser eficientes e robustos para resistir a ações relacionadas ao
comportamento da comunidade onde eles estão inseridos, bem como às operações de
manutenção que devem ocorrer não apenas para manter o seu desempenho hidrológico, uma
vez que essas estruturas possuem funções ligadas aos aspectos de drenagem urbana, e também
ás características estéticas e paisagísticas integradas ao meio ambiente urbano ( Moura et al.
(2009).
Esses dispositivos promovem um armazenamento temporário da água oriunda do
escoamento superficial em um reservatório de pedras. Durante o armazenamento a água é
evacuada para as camadas subjacentes e a taxa dessa queda do armazenamento do reservatório
de pedras depende das características hidrodinâmicas do solo suporte dessas estruturas (taxa
de infiltração inicial, condutividade hidráulica saturada, porosidade e estrutura do solo) e das
características de qualidade da água que percola para a camada onde ocorre estoque
temporário, uma vez que a presença de partículas finas age diminuindo a porosidade através
do processo de colmatação dos dispositivos. A Figura 4 mostra um esquema da interação
entre alguns dos sistemas de infiltração e as zonas não saturada (vadosa) e a saturada.
11
Figura 4– Esquema do funcionamento dos dispositivos de infiltração. Adaptado de
ECOPLUIES (2009).
Para Acioli (2005), as estruturas de infiltração podem trabalhar tanto na redução de
vazões máximas, funcionando como reservatórios de amortecimento, quanto na redução dos
volumes escoados, através da infiltração das águas drenadas, podendo desempenhar também
um importante papel na remoção e controle de poluentes do escoamento superficial. São,
portanto, estruturas que recuperam de forma mais ativa as condições de pré-ocupação, com
relação as estruturas de detenção e retenção que apenas efetuam função de amortecimento.
As vantagens e desvantagens dos dispositivos que permitem maior infiltração e
percolação resumem-se em (Urbonas e Stahre, 1993; Azzoutt et al., 1994; Bettes, 1996;
Nascimento et al.,1997; Souza, 2002; Baptista, 2005; EPA, 2009):
Aumento da recarga dos aquíferos;
Redução de ocupação em áreas com lençol freático baixo;
Preservação da vegetação natural;
Redução da poluição transportada para os rios;
Redução das vazões máximas a jusante;
Redução dos tamanhos dos condutos;
Possibilidade de os solos de algumas áreas ficarem impermeáveis devido a
colmatação;
Falta de manutenção;
aumento do nível do lençol freático atingindo construções em subsolo.
A capacidade de operação dos dispositivos de infiltração está fortemente relacionada à
capacidade de infiltração do solo natural que vai servir de suporte para esta estrutura
hidráulica, a literatura técnica sobre o assunto tem adotado a condutividade hidráulica do solo
como um parâmetro suficiente para verificar a adequação do solo para receber dispositivos
deste tipo. Azzout et al.(1994) consideram que sistemas de infiltração são viáveis para serem
implantados em solos com condutividade hidráulica superior a 10-6
m/s. Para Bettess (1996),
esse valor dever ser superior a 10-10
m/s, valores de condutividade hidráulica entre e 10-6
e 10-3
m/s são considerados suficientes para Alfakih et al. (1999) e Baptista et al. (2005), no entanto,
outro trabalho como Wong (2006) indica valores adequados de permeabilidade entre 10-5
a
12
10-8
m/s e Barraud (2006) e ECOPLUIES (2009) aconselham valores de condutividade
hidráulica entre 10-6
e 10-2
m/s. Observa-se que os valores de condutividade hidráulica
apresentam grande diferença, num limite inferior de 10-10
m/s a um limite superior de 10-3
m/s, a enorme distancia entre esses valores deve interferir basicamente em uma diminuição da
área de infiltração requerida para o dispositivo a medida que a condutividade hidráulica
aumenta. Para os casos em que a condutividade hidráulica apresentar valores baixos,
recomenda-se a adoção de sistemas de armazenamento ou o dimensionamento de drenos.
Para a EPA (1999), sistemas de infiltração devem ser instalados em solos cuja
condutividade hidráulica permita uma drenagem do dispositivo quando em operação para um
tempo mínimo de 12 horas e um máximo de 72 horas sendo que 24 horas é o valor
recomendado. Basicamente, a amplitude desse tempo de detenção é controlada por fatores
como a característica local da chuva, tipo de solo e questões operacionais decididas na fase de
projeto que influenciam decisivamente no desempenho hidráulico dos dispositivos uma vez
que é importante que os mesmos estejam preparados para receber eventos sucessivos.
Além disso, deve-se estar atento a valores elevados da condutividade hidráulica, uma
vez que poluentes oriundos da água de escoamento superficial podem contaminar as águas
subterrâneas, pois valores elevados de velocidade da água nos poros dificultam os processos
de filtração e aderência dos poluentes ao meio poroso. Para esses casos, Barraud et al. (2006)
e o ECOPLUIES (2009) indicam a utilização de sistemas de pré-tratamento, porque além dos
riscos de contaminação do lençol freático devem ser considerados os riscos de colmatação e
consequentemente a perda de permeabilidade dos dispositivos. Segundo Silva (2007), a
discussão sobre os valores mínimos de condutividade hidráulica se refere a capacidade de
drenagem do solo, que não deve ser muito baixa, e o valor máximo se refere a capacidade de
remoção de poluentes e ao risco de contaminação do aqüífero, uma vez que uma elevada
condutividade hidráulica conduziria a uma baixa capacidade de filtração dos poluentes pelo
solo.
4.0-TRINCHEIRAS DE INFILTRAÇÃO
As trincheiras são técnicas compensatórias lineares, implantadas junto à superfície ou
a pequena profundidade, com a finalidade de recolher águas pluviais de afluência
perpendicular ao seu comprimento, favorecendo a infiltração e/ou armazenamento temporário
(Baptista 2005). Também podem ser definidos como dispositivos de drenagem do tipo
13
controle na fonte e tem seu princípio de funcionamento no armazenamento temporário da
água até que ela infiltre no solo. São constituídas por valetas preenchidas por material
granular (brita, pedra de mão e outros), com porosidade em torno de 40%. Esse material é
revestido por filtro geotêxtil, que, além de função estrutural, impede a entrada de finos no
dispositivo, reduzindo o risco de colmatação precoce e podendo trabalhar como filtro anti-
contaminante (Nascimento, 1996).
Figura 5 - Esquema de trincheira de infiltração. Fonte: Silva (2007).
O funcionamento das trincheiras é bastante simples. O acesso das águas superficiais à
estrutura pode ser efetuado diretamente, através da superfície do dispositivo, ou através de um
sistema convencional de drenagem, que efetua a coleta da água e sua introdução na trincheira
(Baptista 2005).
Na Figura 6 são apresentados esquemas simplificados de trincheiras, ilustrando
diferentes modos de alimentação.
AFigura 6 - Esquema simplificado de trincheiras de infiltração e modo de alimentação e
drenagem. Fonte: Leeflang et al. (1998).
14
s vantagens da utilização deste tipo de estrutura são apresentadas a seguir (Nascimento,
1996); Graciosa (2005); Lima (2009):
Diminuição ou mesmo eliminação da microdrenagem local;
Evita a construção de rede a jusante em caso de saturação;
Redução do risco de inundação;
Redução da poluição das águas de origem pluvial;
Recarga das águas subterrâneas;
Boa adaptação ao meio ambiente urbano;
Baixo custo
Fácil construção
Em relação à redução da poluição das águas pluviais, diversos trabalhos relatam
moderadas e altas taxas de eficiência de remoção. Urbonas e Sthare (1993) relatam
percentuais de redução de 60 a 99 % para diversos poluentes, sendo de 98% a remoção de
bactérias ( procurar referencia mais atualizada, retirar urbonas ou complementar com outros
autores).
Como desvantagens em sua utilização, podemos citar:
Dificuldades de se conseguir informações sobre o seu funcionamento em longo
prazo.
Dificuldades em se obter critérios de dimensionamento.
Além disso, segundo Baptista et al.(1998) faltam informações que permitam a
avaliação de custos de instalação, manutenção e operação, o que dificulta uma avaliação do
interesse econômico de sua implantação.
A aplicabilidade desse tipo de estrutura depende de vários fatores e a escolha do local
de implantação deve obedecer a alguns critérios, apresentados a seguir (Urbonas e Stahre,
1993):
Profundidade mínima sazonal do lençol freático e da camada impermeável a
pelo menos 1,2m de profundidade;
15
Classificação do solo nas categorias A e B do Soil Conservation Service ou
taxa de infiltração do solo saturado igual ou maior que 8 mm/h.
Não devem ser instaladas sobre aterros ou em terrenos de grande declividade;
Adequadas para pequenas áreas de drenagem, com lotes de pequenas
dimensões;
5.0- PAVIMENTO PERMEÁVEL E DRENAGEM URBANA
Pavimento permeável é um dispositivo de infiltração no qual o escoamento superficial
é desviado para dentro de um reservatório de pedras localizado sob a superfície do terreno
(Urbonas e Stahre, 1993; Freni et al., 2010).
A sua utilização em áreas urbanas visa reduzir a área drenada superficialmente,
melhorar a qualidade da água e contribuir para o aumento da recarga da água subterrânea
(Collins et al., 2007; Kuang et al., 2011).
Superfícies composta por revestimentos como concreto poroso, asfalto poroso e blocos
intertravados (vazados ou não vazados) são alternativas contidas nos conceitos das BMPs
“Best Management Pratices” que visam retomar ou aproximar as condições de infiltração do
solo àquelas situações de pré-ocupação do solo (Bean et al., 2004), ou seja, o uso dessas
alternativas busca compensar os efeitos da ocupação do solo gerado pela urbanização.
Segundo Tucci (2009), os pavimentos permeáveis são compostos por duas camadas
de agregados, uma de agregado fino ou médio e outra de agregado graúdo mais a camada de
pavimento permeável propriamente dito.
A água proveniente do escoamento se infiltra rapidamente na capa ou revestimento
poroso (espessura de 5 a 10 cm), passa por um filtro de agregado e vai para uma camada ou
reservatório de pedras mais profundo com agregados de 3,8 a 7,6 cm de diâmetro. A camada
de revestimento permeável somente age como um conduto rápido para o escoamento chegar
ao reservatório de pedras subterrâneo (Araújo, 2000). Basicamente o pavimento permeável
age filtrando e armazenando a água de escoamento superficial diminuindo o risco de
alagamento (Scholz e Grabowiecki, 2004).
O escoamento, nesse reservatório, poderá ser coletado por tubos de drenagem e
transportado para uma saída. Assim, a camada de armazenamento dos pavimentos porosos é
16
determinada pela espessura do reservatório de pedras subterrâneo, somado ao escoamento
perdido por infiltração para o subsolo.
Segundo Baptista (2005), podem ser identificados três níveis diferentes de atuação dos
pavimentos no controle da produção do escoamento superficial:
i) pavimentos dotados de revestimentos superficiais permeáveis que possibilita a
redução da velocidade do escoamento superficial, a retenção temporária de pequenos volumes
na própria superfície do pavimento e a infiltração de parte das águas pluviais;
ii) pavimentos dotados de estrutura porosa, onde é efetuada a detenção temporária das
águas pluviais, provocando o amortecimento de vazões e a alteração no desenvolvimento
temporal nos hidrogramas;
iii) pavimentos dotados de estrutura porosa e de dispositivos de facilitação da
infiltração, onde ocorre tanto a detenção temporária das águas pluviais como também a
infiltração de parte delas. Obtém-se assim o amortecimento de vazões, a alteração temporal
nos hidrogramas e a redução dos volumes efetivamente escoados.
Este tipo de controle apresenta as seguintes vantagens (ECOPLUIES, 2009; Rowe et
al.,2010):
Redução do escoamento superficial previsto com relação a superfície
impermeável;
Redução dos condutos da drenagem pluvial;
Redução dos custos do sistema de drenagem pluvial e da lâmina de água de
estacionamentos e passeios;
Melhoria da qualidade da água durante o processo de infiltração;
Em relação às desvantagens, podemos citar:
Manutenção do sistema para evitar que fique colmatado com o tempo;
Maior custo direto da construção (sem considerar o benefício de redução dos
condutos);
Risco de contaminação dos aqüíferos
Atualmente, existem vários estudos referentes ao monitoramento e principalmente a
modelagem/simulação numérica de pavimentos permeáveis. Araujo et al. (2000) utilizaram
um simulador de chuvas para comparar os valores do escoamento superficial gerado por seis
17
superfícies utilizadas na pavimentação: 1) solo compactado; 2) concreto convencional; 3)
pavimento de paralelepípedo e juntas de areia; 4) pavimento com blocos de concreto e juntas
de areia; 5) blocos de concreto vazado, preenchidos com areia e 6) concreto poroso,
respectivamente. Foi utilizado um simulador de chuvas em módulo de 1m² de cada umas das
superfícies (Figura 7).
Após simular uma chuva com período de retorno de 5 anos, determinaram-se os
valores de coeficiente de deflúvio para cada superfície, sendo que o concreto poroso e os
blocos vazados apresentaram valores de escoamento superficial da ordem de 5%.
Figura 7 – Diferentes tipos de superfícies para simulação do escoamento superficial. Fonte:
Araujo et al.2000.
Estudos como os de Gilbert e Clausen (2006) e Bean et al. (2007) comparam as
diferenças entre os hidrogramas gerados por superfícies convencionais (concreto e asfalto) e
pavimentos permeáveis com superfícies em concreto poroso e asfalto poroso. Nesses estudos,
além da verificação do amortecimento da vazão efluente dos dispositivos, foi verificada
também a diferença de qualidade da água do escoamento superficial gerado por superfícies
convencionais e após passar pelos dispositivos de infiltração, os autores mostraram que os
pavimentos promovem uma melhoria nos parâmetros de qualidade, principalmente naqueles
que ficam retidos no processo de filtração da água no meio poroso.
Moura (2005) realizou um estudo de caso, em uma área de estacionamento, no qual se
procurou avaliar o impacto de geração do escoamento superficial das superfícies de asfalto,
chão batido, blocos maciços e blocos vazados em relação a superfície gramada. Os resultados
mostraram que o chão batido fez com que o coeficiente de escoamento superficial aumentasse
quase quatro vezes em relação a superfície gramada, comprovando que a retirada de
18
vegetação e compactação do solo causam impacto no escoamento superficial da bacia
hidrográfica. Quanto aos blocos maciços, o impacto do escoamento chegou a ser quase seis
vezes o da superfície gramada. Além disso, os blocos vazados foram as estruturas mais
eficientes no controle do escoamento superficial, sendo em certos casos mais eficiente que as
superfícies gramadas.
Silva et al. (2009) verificaram a eficiência de dois tipos de revestimentos permeáveis
compostos por blocos de concreto. Foram avaliadas experimentalmente: (i) revestimento com
blocos maciços e (ii) revestimento com blocos vazados. Para cada tipo de revestimento foram
instaladas parcelas de 1m², variando-se o valor da declividade longitudinal e o estado de
compactação do substrato. Parte dessas parcelas foi submetida à passagem de veículos e
recebeu aporte de sedimentos sobre sua superfície. Por meio da aplicação de chuvas artificiais
sobre as parcelas, foi possível caracterizar a evolução temporal das lâminas escoadas e
determinar os coeficientes de escoamento. A partir dos resultados obtidos, constatou-se que a
superfície com blocos vazados foi mais eficiente no controle da geração de escoamento,
mesmo para a situação em que o substrato foi compactado e para valores elevados de
declividades. Entretanto, verificou-se que o efeito da passagem de veículos, juntamente com a
deposição de sedimentos, pode provocar a perda quase total de eficiência desse tipo de
revestimento. Os resultados permitiram, também, identificar fatores que podem contribuir de
forma predominante para a produção de escoamento superficial nesses revestimentos.
Maus et al. (2007) avaliaram a eficiência de diferentes tipos de pavimentos urbanos na
infiltração de água no solo e na geração de escoamento superficial. O trabalho se deu com a
utilização de parcelas experimentais de 3 m² cada e declividade de 7 %. As superfícies
testadas foram pavimento permeável, solo gramado, paralelepípedo e asfalto. O autor
concluiu preliminarmente que a utilização de pavimento permeável reduziu em 100 % o
escoamento superficial, mostrando-se mais eficiente que o solo natural gramado o qual
apresentou redução na geração de escoamento em 97,63%.
Fassman et al. (2010) estudaram o desempenho de um pavimento permeável na cidade
Auckland, Nova Zelândia, com 35 metros de comprimento, 6 metros de largura e 48
centímetros de espessura divididos em duas camadas por um geotêxtil. A primeira camada de
23 cm de areia grossa, atuando como camada de filtração para mitigar a qualidade da água de
escoamento de superficial, a segunda camada composta por agregado graúdo de 25 mm de
diâmetro. O solo natural abaixo do pavimento era composto por um silte argiloso com
condutividade hidráulica saturada da superfície de 4 .10-9
m/s, com classificação hidrológica
19
no grupo C do Soil Consevacion Service, com CN 74. Com o monitoramento de 81 eventos de
chuvas intensas durante 3 anos, o pavimento permeável em comparação ao asfalto
convencional resultou em um amortecimento do hidrograma variando entre 19% a 82% da
vazão de pico.
Lllgen et al. (2006) construíram um módulo experimental, com superfície permeável
composta por blocos intertravados de um metro quadrado (Figura 8). O espaço entre os blocos
(juntas) possui espessura de um centímetro, a declividade do dispositivo no módulo
experimental permitia uma variação de 0 a 10 %. A precipitação pluviométrica no citado
protótipo foi gerada através de um simulador de chuvas, o qual variava a intensidade de
precipitação no intervalo de 10,8 a 360 mm/h. O revestimento era apoiado sobre uma camada
de solo de espessura de 50 cm, o qual possuía um sistema de monitoramento do conteúdo de
água do solo através da reflectometria no domínio do tempo (TRD). O volume de escoamento
superficial gerado e o volume de água drenado eram medidos por meio de uma balança de
precisão (figura 8). Além disso, foi simulado o efeito do “envelhecimento” da superfície
através de uma colmatação usando um aporte de sedimentos finos que gerassem uma
diminuição nas condições de infiltração, decorrente da utilização ao longo tempo. Para isso,
os autores utilizaram sílica na proporção de 200 a 400 g/m².
O
Os autores concluíram que para uma mesma intensidade de precipitação e para declividades
de 2,5 %, 5,0% e 7,5 %, os pavimentos permeáveis novos, ou seja, no início da operação,
apresentavam a mesma capacidade de infiltração. No entanto, a medida que ocorria um
envelhecimento ou uma colmatação decorrente da utilização da superfície ao longo do tempo,
Figura 8 – Esquema de pavimento permeável em escala de laboratório. Adaptado de
Lllgen et al.(2006).
20
neste caso simulado através do incremento de pó de sílica, para uma mesma intensidade de
precipitação um aumento da declividade gerava um decréscimo na infiltração.
Além disso, os autores simularam a redistribuição da água infiltrada no solo utilizando
o programa HYDRUS – 2D, esse programa simula o transporte de água, calor e soluto em um
meio poroso. Para isso, ele resolve numericamente a equação de Richards para fluxo saturado
e não saturado.
Utilizando as condições atmosféricas como condição de contorno superior, fluxo
variável como condição de contorno inferior e o modelo de van Genutchen (1980) para a
retenção de água no solo, Lllgen et al. (2006) simularam a redistribuição de água no solo para
diversas durações.Os perfis de redistribuição da umidade no solo podem ser visualizados na
Figura 9.
Harada e Ichikawa (1994) apud Canholi (2005) avaliaram o desempenho de
pavimentos porosos compostos por camadas de turfa artificial, pavimento permeável,
cascalho e areia, com um tubo de drenagem na parte inferior, foi denominada pelos autores de
“Drainage Infiltration Strata”. O trabalho se deu através de monitoramento e simulação
numérica.
Para a análise de desempenho, os autores construíram um modelo físico integral e
utilizaram um modelo numérico baseado nas equações de Richards – Campbbell para avaliar
o desempenho do pavimento com subcamadas diferentes. Adotou-se uma chuva de projeto
padronizada pelo Sewerage Bureau of Tokio, com intensidade de pico de 50 mm/h e total
precipitado de 151,9 mm. Na análise de três cenários compostos por camadas de cascalho de
Figura 9- Evolução da redistribuição da umidade no solo para as durações de: a) 5min, b)
10 min, c) 20 min e d) 25 min. Fonte: Lllgen et al .(2006)
21
30 cm, 45 cm e 75 cm, mantendo as demais inalteradas. Os resultados demonstram
retardamento no início do escoamento entre uma e duas horas com redução no pico do
escoamento de 12 mm/h a 17 mm/h.
Um tipo de pavimento permeável que merece especial atenção é o pavimento com
revestimento de concreto poroso. Sleight et al. (2006) relataram que a primeira aplicação do
concreto poroso ocorreu no Reino Unido, em 1852. No entanto, essa tecnologia tem se
tornado cada vez mais popular, sendo denominada de concreto ecológico (Fortes et al., 2008).
Esse material também tem sido denominado de concreto pobre em finos, consistindo
essencialmente de cimento Portland, agregados, aditivo e água.
Esse material é uma mistura que apresenta elevada porcentagem de vazios de 15 a
25% e uma matriz de agregados graúdos com um mínimo de finos. Essa estrutura possibilita a
redução da película de água na sua superfície, uma vez que promove uma rápida infiltração da
mesma, reduzindo o efeito do “spray” ou do “splash”, além de promover uma boa aderência
pneu-pavimento.
Fortes et al. (2006) afirmaram que o concreto poroso possui pelo menos três vantagens
quando comparado ao concreto tradicional: redução da hidroplanagem, o que permite a
redução de acidentes, do ruído(ameniza a poluição sonora) e do efeito “spray/splash”.
Sales (2008) estudou a resistência, a porosidade e a permeabilidade de corpos de prova
formados com concreto poroso. Para verificar a eficiência deste revestimento o autor utilizou
um simulador de chuvas, simulando eventos com intensidade de precipitação de 19mm/h e
480 minutos de duração, 79,1mm/h e 60 minutos de duração e por fim 150,3mm/h e duração
de 10 minutos e 20 minutos, respectivamente. Para a intensidade de 79,1mm/h o autor obteve
uma eficiência no volume infiltrado de 73,3%. Para intensidade de 150,3 mm/h e duração de
20 minutos o escoamento demorou cerca de 16 minutos para iniciar.
Dellate (2007) sugere que o fator água cimento seja da ordem de 0,25 a 0,35 e uma
resistência a compressão aos 28 dias de 14 a 17,5 MPa. Para originar uma rolagem suave é
sugerida a utilização de agregados com diâmetro máximo de 9,5 mm (Merighi et al., 2006).
Segundo o National Concrete Pavement Technology Center (NCPTC, 2006), o consumo de
cimento Portland deve ser de 180 a 360 kg/m3.
Em estudos realizados na Espanha foram relatadas algumas vantagens de se trabalhar
com o concreto poroso, além das relacionadas a diminuição da geração de escoamento: a
melhor trabalhabilidade, diminuição da distância de frenagem dos veículos em condições
22
adversas, diminuição da intensidade de reflexos de luz nos pavimentos, entre outras (Reyes
,2002).
Os pavimentos permeáveis além de promoverem diretamente o amortecimento da água
de escoamento superficial, melhoram a qualidade das águas pluviais urbanas e atuam como
reservatório para aproveitamento da água de escoamento superficial para fins não potáveis.
Ullate – Gomes et al.(2010) mostram um estudo comparando diferentes tipos de pavimentos
permeáveis em uma área de estacionamento no norte da Espanha. Estes autores apontaram
que a água armazenada na camada de reservatório dos pavimentos permeáveis poderia suprir
a demanda de irrigação para um jardim de 10 m² de área por um período de aproximadamente
um mês.
Vários aspectos sobre os procedimentos para execução de pavimentos permeáveis
visando o amortecimento dos picos e dos volumes dos hidrogramas de escoamentos
superficial são relatados em Virgilis (2009). Na execução de projetos de pavimentos
permeáveis com blocos intertravados de concreto e concreto asfáltico poroso o autor informa
que os aspectos mais importantes a serem contemplados nesses tipos de estruturas estão
intimamente ligados a: escolha do tipo do revestimento poroso, a determinação do volume do
reservatório do ponto de vista hidráulico e hidrológico e a compatibilização destes fatores
com a resistência mecânica do conjunto às ações do trafego. Neste último caso, tanto os
aspectos ligados as características geotécnicas da base, sub-base e sub-leito devem ser
contemplados como também os fatores ligados a resistência do material do revestimento.
Holz e Tassi (2007) realizaram considerações sobre a implantação de sistemas de
drenagem não convencionais para o loteamento Monte Belo/RS, e avaliaram os custos
referentes a mão-de-obra e materiais inerentes a construção desses dispositivos. Para a
implantação de pavimentos permeáveis, trincheiras de infiltração e valo de infiltração, as
autoras mostraram que o custo desses dispositivos foram inferiores ao custo do sistema de
drenagem convencional implantado no local. Além disso, ao analisar individualmente os
custos por dispositivos, o pavimento permeável apresentou custo superior a soma dos outros
elementos de infiltração considerados. No entanto, não foram analisados aspectos difíceis de
serem quantificados como o benefício com a redução da derrapagem dos veículos o qual está
ligado a segurança no trânsito. Uma observação com relação a este trabalho é que os sistemas
não convencionais foram dimensionados com tempo de retorno de 10 anos e mesmo assim
apresentaram menor custo que o sistema tradicional o qual foi concebido para tempo de
retorno de apenas 2 anos.
23
5.1- PAVIMENTOS PERMEÁVEIS: COMPONENTES E MATERIAS UTILIZADOS
Os pavimentos tradicionais são constituídos basicamente por três camadas,
denominadas revestimento, base e sub base. Os pavimentos permeáveis, pelo fato de
possuírem as funções de infiltração, filtração e armazenamento (reservatório), incluem mais
componentes que propicie as funções acima citadas.
Esses componentes podem ser definidos da seguinte forma (Virgilis (2009):
Revestimento Poroso: Camada do pavimento permeável que está sujeita as ações
mecânicas das cargas estáticas e móveis do tráfego (concreto poroso ou concreto ecológico,
concreto asfáltico poroso, blocos intertravados (vazados e não vazados) ).
Base ou reservatório: Camada imediatamente subjacente a superfície inferior do
revestimento para aumentar a sua espessura, possui a função de armazenamento e por isso
deve ser composta com material de elevada porosidade.
Sub leito ou solo base do pavimento: Solo natural, solo reforçado ou solo melhorado
no tocante a infiltração e a resistência, responsável pela absorção da água infiltrada e pela
resistência mecânica aos esforços oriundos dos carregamentos impostos ao pavimento.
Camada de separação: Manta geotêxtil que possibilita a passagem da água de
infiltração e homogeniza o fluxo nas interfaces entre as camadas de separação. Em muitos
casos quando o pavimento possui uma camada de areia entre o revestimento e o agregado
possui a função de separação mecânica dos materiais, evitando assim que a areia ocupe os
espaços deixados entre o agregado graúdo. Ou seja, a separação é necessária para manter a
porosidade evitando o carreamento de partículas para outra camada além de manter a
integridade estrutural das camadas.
5.2- MANUTENÇÃO DOS PAVIMENTOS PERMEAVEIS
Vários autores recomendam uma limpeza periódica com escovamento e jato de ar ou
jato de água, de maneira a manter o bom desempenho do pavimento (Tucci, 2005; ACPA,
2007; CHARGER ENTERPRISES, 2007; GREENWORKS TV, 2007; Obla, 2007). Tal
manutenção se deve ao risco de colmatação da superfície do revestimento, devido ao aporte
de partículas finas provenientes de sedimentos da água de escoamento.
A velocidade do aporte de sedimentos no pavimento depende do volume de tráfego e
da existência de fonte de sedimentos próximos ao pavimento, como jardins e áreas propensas
ao carreamento de sólidos. Além disso, a presença de árvores que produzem folhas de área
foliar grande podem também dificultar a infiltração (Figura 10), uma vez que essas funcionam
como obstáculo retendo água em sua superfície fazendo com que a água que deveria infiltrar
24
se perca na interceptação e evaporação, entanto, após análises detalhadas durante este período
de monitoramento, foi observada que a principal conseqüência é a criação de uma película de
matéria orgânica gerada pela decomposição da folha criando obstáculos a infiltração, uma vez
que nas regiões em que ocorreu tal caso foi observado certo empoçamento. Neste caso
medidas simples de manutenção como varrição diária com vassouras e desagregação da
película supracitada ou da camada colmatada com ciscadores evitam esses problemas de
maneira eficaz.
Figura 10- Presença de muitas folhas na superfície do pavimento permeável.
No caso de pavimentos com blocos vazados e preenchidos com vegetação devem ser
tomados os cuidados nos períodos de corte periódico da vegetação, uma vez que os locais dos
estacionamentos livres das ações dos pneus estão sujeitas ao crescimento excessivo da
vegetação. Esse corte deve apenas promover uma diminuição da altura visando um bom efeito
paisagístico, tomando cuidado para que não ocorra a retirada da vegetação, uma vez que tal
retirada provoca danos a capacidade de infiltração do pavimento já que o solo sem vegetação
será compactado diretamente pelos veículos ficando mais sujeito as condições de
compactação.
Além disso, quando da utilização desse tipo de revestimento nas calçadas das ruas,
deve-se atentar ao fato que deve haver boa acessibilidade da população, devendo-se atender
25
aos critérios exigidos pela NBR 9050/2004 – Acessibilidade a edificações, mobiliário,
espaços e equipamentos.
6.0- MOVIMENTO DA ÁGUA NO SOLO
6.1 – SOLO, DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES CARACTERISTICAS.
O solo pode ser definido como um sistema multicomponente, integrado pelas fases
sólida, líquida e gasosa (Prevedello, 1996). A Figura 11 ilustra de maneira esquemática os
constituintes de um solo a fim de deixar clara as relações existentes entre cada uma de suas
fases. Observa-se que o solo pode ser entendido como um sistema trifásico que permite uma
vez adotado um volume de controle, definir relações entre as massas e os volumes de seus
constituintes.
Figura 11 - O solo como um sistema trifásico. Fonte: Adaptado de Hillel (1998).
No diagrama acima, as três fases estão separadas proporcionalmente aos volumes que
ocupam, facilitando a determinação das relações entre elas. Os volumes (V) de cada fase estão
representados à esquerda e as massas (M) à direita. A quantidade Vt é o volume total de uma
amostra de solo; Vv é o volume de vazios, volume igual ao ocupado pelos poros do solo, isto
é, a soma dos volumes ocupados pelo ar e pela água; Va é o volume de ar contido numa
amostra de solo; Vl é o volume de água de uma amostra de solo; e, Vs é o volume de sólidos
de uma amostra de solo. Da mesma forma, Mt é a massa total de uma amostra de solo; Ma é a
26
massa de ar em uma amostra de solo; Ml é a massa de água em uma amostra de solo; e, Ms é
a massa de sólidos em uma amostra de solo.
Ainda utilizando o diagrama acima, podem-se definir as seguintes relações básicas
entre as fases do solo, tais relações são a massa específica das partículas, a massa específica
do solo, a porosidade, a umidade mássica e a umidade volumétrica.
A massa específica das partículas (ρs) é definida como a razão entre a massa do solo
seco e o volume das partículas ou dos sólidos. Ela independe da estrutura e do espaço poroso
do solo ocupado pela água e pelo ar, porém depende das características mineralógicas da
fração sólida, na ausência de ensaios pode-se adotar um valor médio de 2,65g/cm³,
correspondente à massa específica das partículas do quartzo em geral o mineral mais
abundante.
(1)
A massa específica do solo (ρd) é definida como a razão entre a massa do solo seco e o
volume total de uma amostra. Esta propriedade depende da estrutura, grau de compactação, e
das características de contração e expansão do solo as quais por sua vez são controladas pela
umidade (Prevedello, 1996).
( 2)
A porosidade (η) é definida como a razão entre o volume de poros (volume de ar +
volume de água) e o volume total da amostra.
(3)
A umidade gravimétrica (W) ou também denominada umidade mássica é definida
como a razão entre a massa de água e a massa do solo seco.
(4)
O conteúdo de água no solo (θ) ou também denominado umidade volumétrica é
definido como a razão entre o volume de água e o volume total de uma amostra de solo.
.
(5)
27
6.2-RELAÇÕES HÍDRICAS NO SOLO
O potencial total da água no solo representa o somatório dos trabalhos realizados
quando um volume ou massa infinitesimal de água num estado padrão é levada isotérmica,
isobárica e reversivelmente para o estado considerado no solo, sendo que a tendência
espontânea da água no solo, como de toda matéria no universo, é de sempre assumir estados
de menor energia potencial (Hillel, 1998). O potencial total de água no solo Ht é composto de
todos os potenciais que atuam na fase liquida do solo. Ele pode ser expresso em unidade de
energia por massa (J/Kg ) ou energia por volume (J /m
3) ou energia por unidade de peso
(J/N).
A maioria dos estudos que envolvem o fluxo da água no solo consideram o potencial
total como sendo o somatório dos potenciais de pressão P, matricial h e gravitacional z.
Nesses estudos, normalmente o potencial osmótico Po é desconsiderado por ser na
maioria dos solos desprezível, principalmente quando o teor de água do solo não é muito
baixo. No entanto, ele pode tornar-se importante quando ocorre a presença de membranas
semipermeáveis, como no caso de substancias orgânicas e/ou quando a concentração salina do
solo é considerada significativa (Reichardt, 1996).
A densidade de fluxo é proporcional ao gradiente de potencial. Como gradiente de
potencial (Pa m-1
) equivale a força por volume (N m
-3), pode-se dizer que o fluxo de água no
solo é o resultado de uma força que age sobre um volume de água, equivalendo ao gradiente
de potencial, tendo direção e sentido definidos.
6.2.1-FLUXO DA ÁGUA NO SOLO EM CONDIÇÕES DE SATURAÇÃO.
Darcy em 1856 realizou os primeiros estudos para quantificar a densidade de fluxo
laminar de água num meio poroso saturado. Desses estudos originou-se a equação de Darcy
(equação 6), estabelecendo que o volume de água que passa por unidade de tempo e de área
em um meio poroso é diretamente proporcional ao gradiente de potencial total e a
condutividade hidráulica saturada.
(6)
Na condição do solo saturado, o potencial total é obtido pelo somatório do potencial
gravitacional z que representa a distância entre o ponto em questão no interior do solo e o
nível de referência (geralmente tomado como sendo a superfície do solo), e do potencial de
pressão que representa a carga hidráulica ou coluna de água que atua sobre o ponto em
28
consideração. O sinal negativo da equação 6 indica que o fluxo de água se dá em direção ao
decréscimo do potencial hidráulico.
Para as condições de fluxo saturado, a condutividade hidráulica é considerada uma
constante e representa uma característica do solo e do fluido, dependendo da permeabilidade
intrínseca do solo a qual está relacionada com sua geometria porosa e com a viscosidade do
fluido que escoa a qual está intimamente ligada a temperatura.
Algumas observações devem ser realizadas quanto a aplicabilidade correta da equação
de Darcy. Segundo Tucci (2009) e Lal e Shukla (2004), a equação de Darcy é válida quando
as forças de inércia do fluido são desprezíveis em comparação as forças viscosas. Ela não é
universalmente válida para todas as condições de escoamento em meios porosos sendo
aplicável apenas para escoamento laminar e em condições que as interações solo-água não
resultem em variações na fluidez e na permeabilidade mediante a mudança de gradiente
ressaltando ainda que a supracitada equação não descreve o fluxo em um ponto particular no
solo, sendo portanto uma descrição macroscópica do fluxo de água pelo meio poroso ou uma
conseqüência do efeito global do comportamento microscópico da água.
6.2.2- FLUXO EM CONDIÇÕES DE SOLO NÃO SATURADO - A EQUAÇÃO DE RICHARDS
Em geral, o escoamento em meios porosos ocorre em condições não - saturadas. Nesse
caso, as fases líquida e gasosa interagem entre si originando fenômenos de capilaridade e
adsorção, os quais irão produzir pressões de sucção, equivalendo a um potencial negativo de
pressão, também denominado potencial matricial. Nessa condição o potencial total da água no
solo é representado pelo somatório dos potenciais gravitacional e matricial.
A relação entre o conteúdo de água no solo (umidade volumétrica) e o potencial
matricial é denominado curva de retenção de água do solo. Esta relação é uma característica
do solo, e caso a geometria do sistema não sofra variações, é possível sua utilização para
estimar o conteúdo de água do solo a partir do seu potencial matricial e vice-versa.
Conforme Hillel (1998), a razão para o decréscimo na capacidade de transmissão de
água no solo durante o seu processo de drenagem se deve á obstrução que ocorre na trajetória
original da água, quando o espaço que anteriormente continha água vai sendo ocupado por ar.
Outra importante causa na redução da condutividade hidráulica, é que o esvaziamento dos
poros se inicia pelos de maior diâmetro, e conforme a lei de Poiseullie para fluxos laminares
em tubos capilares, ela é diretamente proporcional ao quadrado do raio do tubo. Além disso, o
preenchimento dos poros com ar aumenta a quantidade de água que fica isolada e descontínua
em diversos poros do solo, dificultando ainda mais o fluxo da água.
29
Antonino et al.(2004) citam que o modelo hidráulico que descreve as
transferências de água no solo resulta da combinação das equações de conservação de massa e
de transporte (equação de Darcy) em condições isotérmicas é representado pela equação a
seguir :
( )
[ ( )
( )] (7)
com,
( )
Sendo h o potencial matricial do solo, K(θ) a condutividade hidráulica do solo, θ o conteúdo
de água no solo ( umidade volumétrica).
Essa equação, conhecida como equação de Richards, descreve o fluxo de água em
solos não saturados, demonstrando que a variação do teor de água com o tempo é igual a
variação do fluxo ao longo de uma distância.
6.2.3- CURVAS DE RETENÇÃO DA ÁGUA NO SOLO UTILIZANDO O HYDRUS 1-D
A curva de retenção representa a relação entre o potencial matricial e o conteúdo de
água presente no solo. Ela determina a quantidade de água que um solo consegue armazenar a
um certo potencial matricial, essas duas variáveis, umidade volumétrica e potencial matricial
variam principalmente com a textura e estrutura do solo, além de depender também da
conectividade e do tamanho dos poros. A figura 12 ilustra as curvas de retenção para solos
com textura 100% areia, 100% silte e 100% argila respectivamente, os parâmetros para
determinação dessas curvas foram obtidos através do software Hydrus 1.D utilizando o
software Roseta que estima a umidade volumétrica saturada, a umidade volumétrica residual e
os parâmetros de forma.
30
Figura 12 – Curvas de retenção para diferentes tipos de solo obtidas usando o Hydrus -1D.
6.2.4- PARÂMETROS DA EQUAÇÃO DE FLUXO
Os modelos para a descrição do fluxo de água no solo(Hydrus, COMSOL, UNSATH),
fundamentados na equação de Richards, necessitam do conhecimento de características
hidrodinâmicas do solo nos quais estão incluídas as relações entre a condutividade hidráulica
e a umidade volumétrica K(θ) ou o (ou potencial matricial) e a curva de retenção (relação
entre a umidade volumétrica e o potencial matricial h(θ)).
Kozeny (1927) e Carman (1937) desenvolveram modelos que buscavam relacionar
permeabilidade efetiva, saturação e potencial da água em meios porosos em função da
informação da curva granulométrica. Burdine (1953) desenvolveu teorias relacionando a
tortuosidade dos poros com a curva de retenção da água do solo. A partir desses trabalhos
foram desenvolvidas as expressões de Mualem (1976) e van Genutchen (1980) que permitem
a determinação da curva de condutividade hidráulica não saturada baseando-se na curva de
retenção.
Os modelos existentes para a estimativa da condutividade hidráulica do solo (K) em
função do teor de água (θ) ou do potencial matricial ( ) podem ser subdivididos em três
grupos: ao empírico, os macroscópicos e os estatísticos (Mualem, 1986). Os empíricos
relacionam o teor de água do solo ou potencial matricial com a condutividade hidráulica
através de equações funcionais que não tem fundamento teórico.
Os modelos macroscópicos representam uma relação analítica entre K e ou θ,
normalmente deduzida com base na integração de fenômenos microscópicos. Nesse grupo
encontram-se os modelos de Yuster (1951) e Mualem (1978), também citados por Mualem
(1986).
00,5
11,5
22,5
33,5
44,5
55,5
66,5
77,5
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
log (
h)
umidade volumétrica (cm³/cm³)
solo arenoso
solo siltoso
solo argiloso
31
Os modelos denominados estatísticos estabelecem a relação entre ou θ e a
condutividade hidráulica relativa. Nesses modelos, o solo é considerado um conjunto de poros
interconectados que conduzem água quando saturados, conforme a Lei de Pouseuille.
O modelo estatístico mais desenvolvido é o de Mualem (1976), que o testou com base
em dados de solos de diferentes lugares do mundo. A partir desse modelo, van Genutchen
(1980) desenvolveu um conjunto de equações que relaciona a curva de retenção da água no
solo com a curva de condutividade hidráulica.
Atualmente, trabalhos baseados na teoria Fractal tem sido desenvolvidos para a
estimativa dos parâmetros das equações de fluxo, Perfect et al. (1996) desenvolveram um
modelo tridimensional para um meio poroso que mostrou ajustar-se muito bem as 36 curvas
de retenção de diferentes solos. Além desses, Fuentes et al. (2005), também desenvolveram
um modelo para a determinação da condutividade hidráulica não saturada baseado nos
conceitos da geométrica fractal e nas leis de Laplace e Poiseuille.
6.3-MODELOS DE INFILTRAÇÃO
6.3.1-CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE A INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO
A infiltração da água no solo constitui um fenômeno complexo (Righetto, 1998; Duan
et al., 2010; Valiantzas, 2010). A infiltração é definida, como sendo a entrada descendente de
água no perfil de solo (Prevedelo, 1996; Tucci, 2004; Reichardt e Timm, 2004; Parhi et al.,
2007). Além disso, a infiltração pode ser definida como o processo pelo qual a água passa
para dentro do solo através de sua superfície em função do gradiente de potencial total da
água no solo.
Depois que a água se encontra no sistema solo, o seu movimento no sentido vertical é
fundamentalmente regido pelas forças do potencial matricial e do potencial gravitacional, os
quais são os principais responsáveis pelo gradiente de potencial total (Lal e Shukla, 2004;
Asawa, 2005)
No início do processo de infiltração, quando o solo encontra-se seco, o gradiente de
potencial total é muito grande devido a ação do potencial matricial. Durante o processo o solo
vai aumentando a sua umidade, diminuindo a importância do potencial matricial, que, na zona
de saturação anula-se (Figura 13). Por outro lado a medida que a frente de umedecimento
avança no sentido de extratos inferiores do solo, progressivamente aumenta a importância
relativa do potencial total da água no solo (Lal e Shukla, 2004).
32
Na infiltração, Righetto (1998) destaca que para tempos longos, o gradiente de
potencial gravitacional é a força predominante que causa o movimento descendente da água
no solo. Para Prevedelo (1996), quando o movimento da água ocorre por meio de macroporos,
o potencial matricial é desprezível e o gravitacional é o que governa o movimento. De
maneira geral o potencial matricial é mais importante na fase inicial do processo, enquanto o
potencial gravitacional, destaca-se na fase final da infiltração (Simunek et al., 2001).
6.3.2-COMPORTAMENTO DA INFILTRAÇÃO
Em termos gerais, a infiltração é um processo desacelerado. Começa com uma
velocidade alta que vai diminuindo gradativamente com o tempo até atingir um determinado
nível relativamente constante. Essa diminuição da velocidade é função do decréscimo do
gradiente de potencial total da água do solo na superfície. Depois de certo tempo, quando o
gradiente tende a uma estabilidade, a velocidade torna-se praticamente constante. Essa
velocidade em tempos longos converge para o valor da condutividade hidráulica saturada do
solo.
Durante o processo de infiltração, a distribuição da água em um perfil de solo
uniforme, submetida a uma pequena carga hidráulica na superfície se dá através de quatro
regiões (Figura 13).
Figura 13- Perfil de umidade no solo durante a infiltração. Adaptado de Asawa (2005).
No perfil de umedecimento do solo após um longo tempo de infiltração, distinguem-
se quatro zonas: de saturação, de transição, de transmissão e de umedecimento. A zona de
33
saturação corresponde a uma fina camada superficial em torno de 1,5 cm de espessura em que
o solo encontra-se saturado. Abaixo dessa zona de transição, segue a zona de transmissão com
grau de umidade uniforme, porém ligeiramente abaixo da saturação. Enquanto todas as outras
zonas permanecem com espessura praticamente constante, esta é aumentada continuamente
com a aplicação de água constituindo a maior parte do perfil umedecido. Essa camada é
também caracterizada por pequena variação da umidade em relação ao espaço e ao tempo. A
partir dessa zona, vem a outra onde o grau de umidade decresce rapidamente com a
profundidade, formando a zona de umedecimento. Na transição da área úmida com a seca
defini-se a frente de umedecimento, que, juntamente com a zona anterior move-se
continuamente para baixo durante o processo. A frente de umedecimento é o limite visível da
movimentação da água no solo, na qual existe elevado gradiente hidráulico devido a variação
abrupta de umidade, sendo esses mais acentuados em solos inicialmente muito secos.
O comportamento da taxa ou velocidade de infiltração e da infiltração acumulada em
função do tempo é ilustrado na Figura 14. Ao longo do tempo a velocidade de infiltração
decresce até atingir um valor aproximadamente constante. No tocante a infiltração acumulada,
a mesma cresce a velocidades variadas e decrescentes até atingir taxas praticamente
constantes, a partir do tempo em que a velocidade tende a uma estabilidade.
Figura 14- Taxa de Infiltração e infiltração acumulada para solos inicialmente seco e para o
mesmo solo inicialmente úmido. Fonte: Brandão (2006).
Um solo mais úmido terá inicialmente menor taxa de infiltração, devido a um menor
gradiente hidráulico, e mais rapidamente a taxa de infiltração se tornará constante. Na
verdade, a velocidade de infiltração é o mesmo que o fluxo de água da equação de Darcy na
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75
Infi
ltra
ção a
cum
ula
da(m
m)
Taxa d
e in
filt
raçã
o(m
m/h
)
Tempo(h)
Solo inicialmente seco
Solo inicialmente úmido
34
superfície do solo corresponde ao volume de água que infiltra na unidade de área e de tempo.
Por sua vez, a infiltração acumulada corresponde ao volume por unidade de área de água
infiltrada ao longo do tempo. Portanto, a velocidade de infiltração pode ser definida como a
derivada da infiltração acumulada em função do tempo.
Outra terminologia utilizada é a de capacidade de infiltração, que é a taxa máxima pela
qual o solo tem a capacidade de absorver água através de sua superfície, que é equivalente ao
conceito de taxa de infiltração com pequena lâmina de água sobre o terreno. Assim, ela é
função do tipo de solo, do teor de umidade existente e, conseqüentemente do tempo. Decaindo
à medida que o solo vai se tornando mais úmido, a capacidade de infiltração atinge seu valor
mínimo quando se torna igual a condutividade hidráulica para o solo superficial saturado K
(assumindo que o mesmo seja homogêneo). Na prática, como o solo no campo dificilmente
está com todos os seus vazios totalmente preenchidos com água, sempre havendo uma
quantidade residual de ar, esse valor limite é menor que K e igual a Ksat, a condutividade
hidráulica à saturação natural (Tucci, 2009).
6.3.3- O MODELO DE KOSTIAKOV
O modelo empírico de Kostiakov (1932) é descrito através da seguinte equação:
(8)
Nessa equação, I é a infiltração acumulada, K e α são constantes que dependem do
solo e das suas condições iniciais. Derivando a equação em função do tempo, encontra-se a
taxa de infiltração da água no solo.
(9)
Segundo Naet et al. (1991) e Parhi et al. (2007) os parâmetros da equação de
Kostiakov não possuem significado físico próprio e são avaliados a partir de dados
experimentais, podendo ser determinados estatisticamente.
Além disso, esse modelo apresenta como deficiência o fato da taxa de infiltração
inicial tender para infinito e a taxa de infiltração para longos valores de tempo tender a um
valor próximo de zero e não a um valor constante.
Para Rawls et al. (1996), o emprego do modelo de Kostiakov se limita a situações em
que há disponibilidade de dados de infiltração observados para a determinação dos parâmetros
da equação, assim ela não pode ser aplicada a outros tipos de solo e condições diferentes das
que os parâmetros k e α foram determinados .
35
6.3.4- O MODELO DE KOSTIAKOV-LEWIS
O modelo de Kostiakov-Lewis corrigio a deficiência da taxa de infiltração tender a
zero quando o tempo tende a infinito na equação de Kostiakov, tal modelo pode ser
representado da seguinte maneira:
(10)
(11)
Após a correção acima citada para a equação de Kostiakov, quando o tempo tende
para o infinito, a taxa de infiltração tende para if.
6.3.5- O MODELO DE HORTON
Silveira et al.(2009) citam em relação a equação de Horton(1940) que para o caso de
um solo submetido a uma precipitação sempre inferior a capacidade de infiltração, uma
relação empírica para representar o decaimento da infiltração com o tempo pode ser
representada da seguinte forma:
( ) ( ) (12)
Onde é a taxa de infiltração inicial em t = 0, é a taxa de infiltração assintótica ou
mínima o qual se aproxima de um valor constante e muito próximo a condutividade hidráulica
da saturação, β é a constante de decaimento. Uma observação é que a diferença entre a taxa
de infiltração mínima ou velocidade básica de infiltração e Ks decorre da presença de ar
aprisionado no solo e da impossibilidade de completa saturação do solo em condições de
campo. Para Righetto (1998) se o teor de umidade a montante da frente de molhamento for
constante, a equação supracitada exprime o avanço da frente em função do tempo.
Sendo a taxa de infiltração uma relação entre a variação de uma lâmina de água
infiltrada por uma variação de tempo, a infiltração acumulada pode ser definida como a
integral da equação supracitada resultando na seguinte expressão:
(13)
Nos períodos em que a intensidade de precipitação é nula, ocorre uma recuperação da
capacidade de infiltração do solo ( influenciada por fatores como temperatura, radiação solar e
tfi
f eii
tiI
1
36
velocidade do vento), para esse caso, podem ser utilizadas expressões com formato
semelhante ao da equação 12, na qual a constante de decaimento (β) passa ser substituída por
um parâmetro de recuperação da capacidade de infiltração do solo. Para mais detalhes sobre a
equação de Horton consultar Righetto (1998).
6.3.6- O MODELO DE PHILIP
A equação de Philip (1957) é um caso particular da equação de Richards, a qual a
mesma é resolvida para uma condição de contorno de saturação permanente na superfície do
solo (Silveira et al., 2009).
A partir da resolução da equação de Richards para a condição de contorno supracitada,
através de uma série de Taylor chega-se a seguinte expressão:
( )
(14)
Onde S é a sorvidade do solo que traduz a capacidade do solo absorver água por
capilaridade e depende essencialmente da variação do teor volumétrico de água entre o início
e o final da infiltração (Souza, 2005). O parâmetro A apresenta similaridade com a taxa de
infiltração básica da equação de Horton e representa os aspectos da ação da gravidade no
fenômeno de infiltração.
6.3.7- O MÉTODO BEERKAN
Um método semifísico, denominado “Beerkan” (Haverkamp et al., 1997; Braud et al.,
2005; Lassabatère et al., 2006., Souza et al ., 2008) propõe a estimativa dos parâmetros das
curvas de retenção (h) e da condutividade hidráulica em função da umidade volumétrica
K() considerando a textura e a estrutura do solo.
Nesse método, (h) e K() podem ser descritas analiticamente por cinco parâmetros:
dois de forma, m ou n e , relacionados principalmente com a textura, e três de normalização
s, Ks e hg, dependentes da estrutura do solo.
Os parâmetros de forma são obtidos a partir da curva de distribuição dos tamanhos das
partículas F(D) e da porosidade; enquanto que os parâmetros de normalização são
determinados a partir de experimentos de infiltração.
37
7.0-MATERIAIS E MÉTODOS
7.1-LOCALIZAÇÃO E CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO
O pavimento permeável foi instalado no estacionamento do Centro de Tecnologia e
Geociências / Escola de Engenharia de Pernambuco (CTG / EEP) da UFPE, cidade do Recife
situado a 8º 03’ 67” e 34º 57’ 12”, com aproximadamente 4 metros acima do nível do mar
(Figura 15). O clima na região, pela classificação de Köppen, é do tipo As’ (quente e úmido),
com estação chuvosa no período inverno, com maiores precipitações nos meses de março a
agosto onde corre 70% do total precipitado.
Figura 15 – Localização do pavimento permeável experimental.
A precipitação pluviométrica no local, no tocante a série histórica de precipitações da
estação várzea do LAMEPE no período de 1994 a 2010, apresenta uma média anual de 2173,8
mm, com mínima de 1255,4 mm e máxima de 3482,0 mm anuais. Durante o ano, os meses de
abril, maio, junho e julho são os que apresentam os maiores totais pluviométricos mensais
(Figura 16).
-340 57’ 15,12” W-080 03’ 08,67” S
38
Figura 16- Precipitação média mensal para a cidade do Recife no período 1994- 2010. Fonte
dos dados: APAC/LAMEPE
Além disso, segundo Cabral e Montenegro (2004), a evaporação anual medida em
tanques evaporimétricos na região atinge 1234,4 mm com valor máximo em dezembro (146,3
mm) para uma média mensal de 110,3mm e a umidade relativa do ar possui valor médio
mensal de 79,8%, refletindo as proximidades da região com o oceano o qual libera massas de
ar úmido que são trazidas da região da costeira do continente.
7.2- ENSAIOS DE INFILTRAÇÃO
O dimensionamento dos sistemas de infiltração requer o conhecimento de
propriedades hidráulicas do solo suporte as quais estão diretamente relacionadas com os
seguintes fatores textura, estrutura e uso do solo. No dimensionamento dos dispositivos de
infiltração, a condutividade hidráulica saturada e a lâmina ou infiltração acumulada têm sido
os parâmetros mais utilizados para quantificar os volumes de saída destes dispositivos.
Neste trabalho, optou-se por utilizar a infiltração acumulada, a qual foi obtida com a
utilização do infiltrômetro de anel simples usando a metodologia Beerkan descrita em Souza
(2005).
Nessa metodologia, inicialmente o infiltrômetro de anel simples é cravado a 1cm de
profundidade do solo com o objetivo de se evitar perdas laterais de água durante o processo
de infiltração. Com o infiltrômetro de anel simples já cravado no local onde será realizado o
ensaio, é coletada, próximo ao anel, uma amostra de solo para determinação da umidade
inicial. Essa amostra é colocada em uma lata de alumínio a qual deve ser bem vedada e
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Jan
fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Pre
cip
itaç
ão m
édia
men
sal(
mm
)
Mês
39
lacrada para que mantenha as condições iniciais de umidade em que o solo se encontra no
momento inicial da realização do ensaio.
Logo após a coleta do solo, são vertidos volumes definidos de água dentro do cilindro
utilizando beckers. O tempo de medição é iniciado após ser despejado o primeiro Becker
anotando-se o tempo necessário para a infiltração de toda a água, repetindo-se esse processo
até que o registro do tempo entre as medidas se torne constante.
Atingindo então o mesmo intervalo de tempo entre medidas, de forma rápida para que
o solo não perca umidade, é retirado o infiltrômetro de anel simples e coletada mais uma
amostra de onde o infiltrômetro estava cravado. Com as amostras retiradas no início e no fim
do ensaio pode-se determinar a umidade final e inicial do solo em estudo. Para classificação e
determinação da curva granulométrica do solo é recolhida próximo ao ponto de instalação do
infiltrômetro uma amostra deformada do solo.
Para a determinação da densidade do solo foram coletadas amostras indeformadas por
meio de amostrador de solo, tipo Uhland. A Figura 17 ilustra a infiltração acumulada obtida
para a camada de solo natural ou subleito do pavimento permeável.
Figura 17- Infiltração acumulada obtida para a superfície do solo natural ou base do
pavimento permeável
7.2.1- O MÉTODO BEERKAN
Nesse método, ( ) e ( ) serão descritas, respectivamente, pelos modelos de van
Genutchen (1980) e de Brooks & Corey (1964):
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Infi
ltra
ção a
cum
ula
da(
mm
)
tempo(s)
40
(
) [ (
)
]
(15)
com
( Burdine, 1953)
e
( ) (
) (16)
Sendo θ a umidade volumétrica; θs a umidade volumétrica saturada; h o potencial
matricial; hg um valor crítico de h a partir do qual ocorre a dessaturação, conhecido como
potencial de entrada de ar; n e m são parâmetros de forma; Ks a condutividade hidráulica
saturada do solo e η o parâmetro de forma para a curva de condutividade hidráulica.
Essas funções contêm cinco parâmetros desconhecidos: dois de forma (m, n ou η) e
três parâmetros de normalização (θs, Ks, hg). Os parâmetros de forma são ligados a textura
(Haverkamp et al., 1998), enquanto que os parâmetros de normalização dependem da
estrutura dos solos.
1- Determinação dos parâmetros de forma:
Assumindo similaridade de forma entre a distribuição do tamanho das partículas F(D)
e θ (h), Haverkamp & Parlange (1986) apresentaram a seguinte equação para expressar F(D):
( ) [ (
)
]
(17)
Com
Sendo D o diâmetro da partícula, Dg o parâmetro de escala do tamanho das partículas
e M e N os parâmetros de forma da curva de distribuição do tamanho das partículas.
O índice de forma do meio (Pm) pode ser estimado a partir de M e N usando (Zatarain
et al., 2003) :
( ) (18)
Sendo κ um coeficiente definido por Fuentes et al. (1998):
( ) (19)
sendo s a dimensão fractal.
2 – Determinação dos parâmetros de normalização:
Os parâmetros de normalização (hg, Ks) são obtidos por intermédio da minimização
de I(S, Ks), ou seja, dos quadrados das diferenças entre as lâminas de água infiltrada
41
observadas e calculadas. A lâmina de água infiltrada é calculada pela equação proposta por
Haverkamp et al.(1994), válida para tempos curtos e médios.
( ) ∑ ( ( √ ))
(20)
com:
(
)
( (
)
)
sendo S a sorvidade, r o raio do cilindro; γ igual a 0,75 e β igual a 0,6.
3 – Escalas características
Durante o processo de infiltração tridimensional os fatores que podem afetar o fluxo
de entrada de água no solo, são: a geometria da fonte de água, a capilaridade e a gravidade
(Souza et al.,(2008)). Umas das formas de caracterizar esses fatores é a partir das escalas de
comprimento capilar, λc [L] ( White & Sully, 1987) e o raio característico dos poros
hidraulicamente ativos, λm [L ] (Philip, 1987) determinados, respectivamente, pelas equações:
( ) (21)
(22)
sendo σ a tensão superficial da água (0,0719 N m-1
), ρa a massa específica da água (10³ Kg m-
3), g a aceleração da gravidade (9,81 m s
-2) e δ um parâmetro de forma da difusividade
(( ⁄⁄ ), o qual foi considerado igual a 0,55 (White & Sully, 1987).
Para Souza et al.(2008) a escala de comprimento capilar representa a importância
relativa das forças capilares em relação a gravidade, quando a água é transmitida de uma fonte
através do solo, com umidade inicial θ0. O raio característico de poros define a dimensão
média dos poros que participam do processo de infiltração submetida a pressão aplicada h;
quanto maior for o raio característico,λm,maior é o efeito da gravidade em comparação ao da
capilaridade (Souza et al .(2007)).
Além disso, Souza et al .(2007) demonstram o número de poros Cλm, o qual é estimada
usando-se a lei de Poiseuille para fluxo em um tubo capilar, a partir da seguinte expressão :
(23)
Sendo μ a viscosidade dinâmica da água (0, 00089 kg m-1
s-1
).
7.3-DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO PERMEAVEL
42
Para o dimensionamento do pavimento permeável, foi utilizado o balanço hídrico.
Determinou-se o volume a ser armazenado para cada duração e tempo de retorno fixo como a
diferença entre o volume de entrada (escoado) e o volume de saída (infiltrado). Para
quantificação do volume de entrada, foi utilizado o método racional, com a equação de chuvas
intensas proposta pela ACQUAPLAN para o Recife.
Para calcular o volume de entrada, usou-se a seguinte equação baseada no Método
Racional:
(24)
A equação de intensidade, duração e freqüência proposta pela ACQUAPLAN para a
cidade do Recife (Melo et al, 2006):
( ) ( )
( ) (25)
Na qual C é o coeficiente de escoamento superficial; i é a intensidade de precipitação em
mm/h; t é a duração da precipitação em minutos, e ADRE é a área de drenagem em m² e T é o
tempo de retorno em anos.
Para calcular o volume de saída usou-se a seguinte equação:
( ) e (26)
Na qual, I(t) é a infiltração acumulada em metros e AINF é a área de infiltração em m². B é a
largura do pavimento permeável em metros (m); L é o comprimento longitudinal do
pavimento permeável em metros (m);
Sendo assim, o volume a ser armazenado é a diferença entre o volume de entrada e o
volume de saída, considerando que a única forma de saída é por infiltração na base do
pavimento permeável.
Logo, para calcular o volume a ser armazenado vale a seguinte equação:
(27)
(28)
H é a espessura do pavimento permeável em m, ou melhor, é a espessura da camada de
brita que atua como reservatório do excesso da água de escoamento superficial em metros(m);
ηb é a porosidade da brita.
Para a determinação das dimensões do dispositivo de infiltração (largura,
comprimento e espessura) poderiam ter sido utilizadas técnicas de otimização, uma vez que as
43
outras varáveis são conhecidas ou determinadas através de equações já de domínio publico
(caso da intensidade de precipitação), ou determinadas a partir de ensaios específicos
(porosidade da brita, infiltração acumulada).
A solução adotada foi escolher as dimensões relativas ao comprimento longitudinal e a
largura, e calcular qual a espessura da camada de brita associada a um tempo de retorno e a
uma duração de precipitação.
Assim, combinando as equações 27 e 28 a espessura da camada de brita (H) pode ser
determinada da seguinte forma:
(
( ) )
(29)
Adotando para coeficiente de escoamento C = 0,9, chuva com duração de 6,85
minutos e tempo de retorno 2 anos, resultando em uma intensidade de precipitação
95,51mm/h, área de drenagem de 110 m², Infiltração acumulada obtida através do ensaio de
infiltração de 71,30 mm, comprimento L = 3m , largura B = 1,5 m e porosidade da brita 42%.
Obtém–se, através da equação 26, espessura da camada de brita H = 0,40 m.
Além da camada de brita, o pavimento permeável possui duas camadas de areia, sendo
uma camada acima da camada de brita e separada desta por geotêxtil, e outra embaixo da
camada de brita separa desta também por um geotêxtil e em contato com o solo. A espessura
destas camadas poderia ser incorporada nas expressões para o dimensionamento do pavimento
permeável, no entanto, optou-se em adotar dimensões construtivas para esse material, uma
vez que na literatura a espessura para esse material nos sistemas de infiltração varia entre 5 e
10 cm. Sendo assim, adotou se 5 cm de espessura para a camada superior de areia e 10 cm
para a camada de areia em contato com o solo natural. A Figura 18 ilustra a estrutura das
camadas concebidas para o pavimento permeável.
44
Figura 18– Estrutura das camadas do pavimento permeável
7.4. DESCRIÇÃO DO MÓDULO EXPERIMENTAL
No mês de junho de 2010, foi instalado um módulo experimental de pavimento
permeável no estacionamento do Centro de Tecnologia e Geociências - CTG da Universidade
Federal de Pernambuco. A Figura 19 mostra a escavação de uma vala de 3m de comprimento,
por 1,5m de largura, e 64 cm de profundidade destinada ao módulo experimental. Nota-se que
no meio da trincheira escavada existe um tubo de alumínio previsto inicialmente para o
monitoramento diário da umidade volumétrica no perfil de solo com a sonda de nêutrons. A
quebra desse equipamento impossibilitou, até o presente, seu uso para o monitoramento da
umidade.
Revestimento (blocos de concreto preenchidos com solo e
grama), espessura de 9 cm
Espessura
Areia grossa (espessura de 5 cm)
Reservatório (brita com η = 43%), espessura 40 cm
Areia grossa (espessura de 10 cm)
Subleito (solo natural)
Geotêxtil drenante
Geotêxtil drenante
45
Figura 19- Foto do espaço dimensionado para a execução do módulo experimental do
pavimento permeável
A fim de permitir o armazenamento de água no interior do pavimento vazado, o
reservatório constituído pela camada de brita 19mm, o qual se encontra intercalada entre duas
camadas de areia e dois geotêxtil denominados comercialmente de “bidim”. No tocante a este
último componente, que possui a função de filtragem e separação dos materiais ou camadas
(brita e areia), foi utilizado, mais especificamente o MacDrain TD da empresa Macaferri,o
qual é uma geomanta com espessura de 10 mm, fabricada a partir de filamentos de
polipropileno, tendo um índice de vazios em torno de 95%. Enquanto a camada de brita
possue a função de armazenamento, as camadas de areia e bidim apresentam a função de
filtragem da água que percola no interior do pavimento, evitando assim, a contaminação e
diminuição da capacidade de infiltração do solo suporte do pavimento.
Para a simulação e avaliação da eficiência do pavimento piloto, foram monitoradas
varáveis importantes que influenciam diretamente no processo de amortecimento do
escoamento superficial e na dinâmica da água no solo suporte do citado pavimento.
Foram instalados 7 tensiômetros de cápsula porosa, com a finalidade de medir o
potencial matricial de sucção ao longo do perfil de solo suporte do pavimento. Além disso, foi
instalado um tubo de acesso para sonda nêutrons, necessário para quantificar o conteúdo de
46
água do solo suporte do pavimento, através da medida da umidade volumétrica ao longo da
profundidade.
Para quantificar o volume de água que o pavimento pode armazenar, foram instalados
poços de observação dos níveis de água no interior do pavimento. A Figura 20 ilustra os
instrumentos de observação do nível de água no interior do pavimento e detalhes do material
selecionado para preenchimento do pavimento.
Figura 20 – Pavimento permeável preenchido com brita. Vista dos poços de observação
(parte de cima e de baixo da foto). Notar tubo de acesso para sonda de nêutrons no meio
Com referência à Figura 21, observa-se a camada de brita já executada na parte
esquerda da foto e esta mesma camada com o tecido geotêxtil por cima na parte direita da
figura. Em relação à Figura 22, a mesma explicita a fase final de execução do experimento no
qual é espalhada a areia (parte direita da figura) para atuar como camada filtrante e servir de
base para o revestimento, após conclusão da camada filtrante é colocado o revestimento
conforme parte direita da Figura 22, os blocos serão posteriormente preenchidos com solo e
grama.
47
Figura 22- Camada de areia sobreposta a camada de bidim (a esquerda) e execução do
revestimento em blocos intertravados de concreto vazados
A Figura 23 ilustra a execução das juntas entre os blocos intertravados. As juntas
foram preenchidas com argamassa visando garantir melhor capacidade de resistência conjunta
da pavimentação. Uma observação é que uma melhor alternativa do ponto de vista de
infiltração seria rejuntar os blocos com areia grossa, no entanto, visando uma melhor
compatibilização com o tipo de pavimento já existente no local procurou-se manter o método
construtivo existente.
Figura 21 – Pavimento permeável preenchido com brita e posteriormente execução da
camada de geotêxtil drenante
48
Figura 23 - Execução da camada do revestimento para o pavimento permeável, notar espaços
vazios a espera da grama e que as juntas foram preenchidas com argamassa.
7.5- PRECIPITAÇÃO
Em janeiro de 2011, foi instalado um pluviômetro automático de cuba basculante
(pluviógrafo) da marca HOBO, modelo RG3 (Figura 24). Quando a cuba basculante atinge a
sua capacidade, o peso da água faz com que o sistema bascule, esvazie e emita um pulso
elétrico acionando o registrador. O pluviômetro automático foi programado para realizar
leituras a cada 10 minutos, possibilitando assim, obter informações mais detalhadas sobre os
eventos de chuvas intensas.
Figura 24- Pluviômetro automático instalado ao lado do pavimento permeável.
49
Com os dados de precipitação pluviométrica obtidos, foram selecionados os eventos
mais intensos a partir da análise dos pluviogramas. Para obter a magnitude do evento e assim
analisar a eficiência do módulo experimental de pavimento permeável foi utilizada a equação
de intensidade, duração e frequência para a cidade do Recife determinada por Ramos e
Azevedo (2010), a partir de uma série de 40 anos compreendendo o período entre 1968 e 2007
para um posto instalado no Aeroporto Internacional dos Guararapes, da cidade do Recife.
A citada equação é a seguinte:
( ) (30)
Nesta expressão, T é o período de retorno em anos, t a duração da chuva em minutos, e
i a intensidade de precipitação em mm/h.
7.6-CARACTERIZAÇÃO DO SOLO (SUBLEITO) DO PAVIMENTO
Foram realizadas análises granulométricas seguindo os critérios da NBR 7181/84,
Solo – Análise Granulométrica, para caracterização do solo utilizado para preenchimento dos
blocos intertravados do revestimento e da camada do subleito do pavimento permeável. Para o
subleito, foram retiradas amostras deformadas a cada 10 cm a partir da superfície do solo
natural até atingir a profundidade de um metro. As amostras deformadas foram analisadas da
seguinte forma: para a fração mais grossa efetuo-se o peneiramento, as frações finas de argila
e silte foram determinadas por sedimentação, após dispersão com hexametafosfato de sódio,
utilizando o método do densímetro.
A Figura 25 ilustra a caracterização granulométrica do solo natural abaixo do módulo
experimental do pavimento permeável. Observa-se uma predominância dos diâmetros das
partículas na faixa de textura da areia com porcentagens sempre acima de 70 %. Além disso,
os resultados do ensaio mostraram que a percentagem de areia é maior nas profundidades
entre 30 e 40 cm.
50
Figura 25 - Curva granulométrica para a camada de revestimento e para as profundidades de
0 a 100 cm do solo natural (solo suporte ou subleito) do pavimento permeável.
Além disso, o baixo percentual de argila e silte indicam uma possível classificação
hidrológica do solo de acordo com os critérios do SCS (Soil Conservation Service) nas
categorias A ou B. No entanto, para realizar tal afirmação torna-se necessário conhecer as
características de infiltração do solo, uma vez que apenas a informação relativa à textura não é
suficiente para indicar com confiabilidade as condições de infiltração e redistribuição de água
no solo, pois além da textura ou distribuição granulométrica, a estrutura, o arranjo e a conexão
dos poros também são características que influenciam e geram subsídios para obter com
confiabilidade a informação sobre a facilidade com que a água penetra de um meio externo
para solo.
A tabela 2 apresenta a classificação textural de acordo com Embrapa (2006), a
densidade do solo e as densidades das partículas para as profundidades de 0 a 100 centímetros
dos solos do revestimento e do subleito do pavimento.
Tabela 2 - Classificação textural, massa específica do solo, massa específica das partículas do
solo e porosidade teórica para os solos do revestimento e subleito do pavimento permeável.
Profundidade
(cm)
Classificação
Textural ρs(g/cm³) ρp(g/cm³) η(%)
Revestimento Areia franca 1,1 2,66 58,64
0 - 10 Areia franca 1,33 2,64 49,62
10 -20 Areia franca 1,48 2,68 44,78
20-30 Areia franca 1,46 2,62 44,27
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,001 0,01 0,1 1 10
Po
rcenta
gem
acum
ula
da
Diâmetro das Partículas (mm)
Revestimento
Prof .0-10 cm
Prof .10-20 cm
Prof .20-30 cm
Prof .30-40 cm
Prof .40-50 cm
Prof .60-70 cm
Prof .70-80 cm
Prof .80-90 cm
Prof .90 - 100 cm
51
30-40 Areia franca 1,4 2,64 46,97
40-50 Franco arenoso 1,35 2,58 47,67
50-60 Areia franca 1,4 2,64 46,97
60-70 Areia franca 1,7 2,6 34,62
70-80 Areia franca 1,58 2,675 40,93
80-90 Areia franca 1,47 2,61 43,6%
90-100 Areia franca 1,55 2,60 40,38
7.7 – MONITORAMENTO DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO PAVIMENTO PERMEAVEL
A partir da instalação do experimento procedeu-se com o monitoramento diário dos
níveis de água do pavimento permeável através de um sensor de nível que permitia determinar
a altura da lâmina d’água dentro dos tubos instalados. Foram monitoradas diariamente os
níveis do pavimento permeável nos meses de junho, julho e agosto de 2010. Os resultados
apresentados representavam apenas uma noção pontual no nível d’água no experimento não
deixando clara a dinâmica do processo de infiltração da água da camada de revestimento para
o reservatório e desse para o solo natural. Sendo assim, optou-se por não trabalhar com esses
dados uma vez que os mesmos não são representativos da variabilidade temporal em escala
horária dos níveis no interior do pavimento.
7.8 - MONITORAMENTO AUTOMATICO DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO
PAVIMENTO PERMEAVEL
Os níveis de água no pavimento permeável foram monitorados com um sensor de
nível tipo transdutor de pressão da marca Levlloger (Figura 26). O transdutor de pressão mede
o nível da água baseado na variação da pressão da água, e é conectado uma central de
aquisição de dados para a coleta e o armazenamento dos dados. Para a instalação dos sensores
de nível nos poços de observação, utilizou-se uma corrente para fixar o sensor na tampa do
piezometro, tudo isto para manter a verticalidade do sensor e garantir que a água que entra no
piezômetro seja de fato a água que infiltra e fica armazenada no reservatório do pavimento.
52
Figura 26 - a)Sensor de nível utilizado para medição do nível no piezômetro do pavimento
permeável. b) Fixação do sensor de nível a tampa do piezômetro.
7.9 - MONITORAMENTO DIÁRIO DO POTENCIAL MATRICIAL DA ÁGUA NO SOLO
Nesse trabalho procurou-se monitorar o potencial matricial da água no solo de modo a
obter de forma indireta a umidade volumétrica com a curva de retenção, tal obtenção do
conteúdo de água do solo em alguns pontos do perfil ao longo do tempo no subleito do
experimento permitirá observar de maneira indireta como se dá a dinâmica da redistribuição
água no solo.
Os tensiômetros com colunas de mercúrio foram instalados a cada 15 cm, sendo o
primeiro ( T1) na transição bidim, camada de reservatório e os demais a camada 15 cm
atingindo a profundidade de 144 cm quando toma-se com nível de referência a superfície do
pavimento. Foram realizadas medições diárias (segunda a sábado) das alturas das colunas de
mercúrio para todas as profundidades demonstradas pela Figura 27.
53
Figura 27- Profundidades de instalação dos tensiometros para monitoramento do potencial
matricial do solo.
Com as leituras efetuadas, procedeu-se com o cálculo do potencial matricial da água
no solo através da seguinte expressão:
(31)
Na qual:
é a altura de coluna de mercúrio.
é a distancia vertical da cubeta em relação ao nível de referência , no caso da seção do
pavimento. Seu valor é – 85 cm.
L é a profundidade onde estão instaladas cada cápsula porosa.
é o potencial matricial de água no solo em cmH20.
No tocante ao potencial total da água no solo, o mesmo foi calculado através da
seguinte expressão:
. ψ (32)
Sendo o potencial total da água no solo em cmH20.
7.10-O HYDRUS 1-D
54
O Hydrus1D é um programa computacional que simula a dinâmica da água, o
transporte de calor e de solutos em solos saturados e não saturados, cultivados ou não.
Resolve numericamente as equações de Richards e do transporte de soluto, com o uso de
elementos finitos, e inclui modelagem inversa para estimar os parâmetros hidráulicos e de
transporte (Alves, 2009).
A rotina para a dinâmica da água em um meio poroso unidimensional, isotérmico,
parcialmente saturado é descrito por uma forma modificada da Equação de Richards( equação
33), pelo qual não se considera os efeitos da fase gasosa e do gradiente térmico no fluxo da
água.
[ (
)] (33)
Na qual, h é o potencial mátrico da água no solo, L; θ é a umidade volumétrica da
água, L³ L-3
; t é o tempo. T; x é a coordenada espacial, L; S é um termo de sumidouro, L³ L-3
T -1; α é o ângulo entre a direção do fluxo e o eixo vertical ( ou seja, α=0º para fluxo
vertical.90 ° para fluxo horizontal e 0° < α < 90° para fluxo inclinado.
As propriedades hidráulicas de um solo não saturado, θ (h) e K(h), são de maneira
geral funções não lineares do potencial mátrico ou da umidade volumétrica. O programa
HYDRUS-1D permite o uso de 5 modelos analíticos para as propriedades hídricas : Brooks e
Corey( 1966); van Genutchen (1980); Vogel e Cislerová (1988), Kosuki (1996); e Durner
(1994).
7.11-HIPÓTESES E CONSIDERAÇÕES ADOTADAS NAS SIMULAÇÕES NUMÉRICAS
UTILIZANDO O HYDRUS 1-D
Para a simulação hidráulica do escoamento superficial no pavimento permeável,
utilizou-se como condições de contorno na fronteira superior as condições atmosféricas
analisando as possibilidades de escoamento superficial e empoçamento fornecidas pelo
Hydrus 1 D-4 .Na condição de fronteira inferior foi utilizada a condição de fluxo variável ,em
função da heterogeneidade das cargas hidráulicas na camada do reservatório do pavimento
durante os eventos e também da heterogeneidade das características hidrodinâmicas do solo.
Para a análise de sensibilidade e simulação dos níveis d’água na camada do reservatório foi
utilizada a condição de contorno de drenagem livre na base do perfil.
55
No tocante a fronteira superior sujeita as condições atmosféricas foi utilizada como
variável a precipitação pluviométrica medida no local através da seleção de alguns eventos de
chuvas intensas.
Alguns cenários de simulação utilizaram-se da chuva de projeto padronizada de
acordo com os critérios do Bureau Reclamation.
A evaporação foi desprezada, uma vez que os tempos de simulação são curtos.
Utilizando o HIDRUS 1 D -4 foram simulados os seguintes cenários de estrutura e
condições de operação para o pavimento permeável :
Solo natural, com as características hidrodinâmicas idênticas a do módulo
experimental do pavimento permeável, simulando uma situação não urbanizada de
pré-desenvolvimento.
Solo natural + camada de reservatório, analisando a sensibilidade do amortecimento
do hidrograma para cada incremento da camada do reservatório, camada esta
composta por material granular (brita ou cascalho). As características hidrodinâmicas
do solo utilizada nesta simulação são as mesmas do módulo experimental instalado
para o desenvolvimento desta dissertação.
O software Hydrus 1 –D não apresenta a possibilidade da utilização de brita, cascalho
ou qualquer outro material com diâmetro das partículas superior ao de uma areia
grossa. Para suprir essa deficiência, foi utilizada no programa uma camada de areia
com porosidade igual a da brita utilizada no experimento.
Do mesmo modo que no item anterior, o Hydrus 1 - D, não apresenta a possibilidade
da utilização do revestimento em concreto. Para isso, foi realizada uma caracterização
hidráulico-hidrológica da camada de solo existente entre os espaços vazios dos blocos
intertravados de concreto.
Para todos os casos, o modelo adotado para descrever as propriedades hidráulicas do
solo foi o de van Genutchen (1980).
O Hydrus 1- D fornece um balanço hídrico para áreas unitárias. No caso do
escoamento superficial a unidade fornecida pelo software é L/T (unidade de
comprimento/unidade de tempo). Sendo assim, neste trabalho o resultado das taxas
fornecidas pelo programa serão multiplicados pela área do pavimento (4,5 m²), afim
de se obter vazões em m³/s.
56
8.0-RESULTADOS E DISCUSSÃO
8.1-PRECIPITAÇÃO PLUVIOMÉTRICA NO PERÍODO CONSIDERADO
A Figura 28 ilustra a distribuição da precipitação pluviométrica no período de junho
de 2010 a dezembro de 2010. O mês de junho apresentou um total precipitado de 540,3 mm
sendo que 75% do total precipitado desse mês ocorreu em 9 dias, mais precisamente entre os
dias 11/01/2010 e 20/06/2010 com total precipitado de 410,4 mm . Observa-se um pico de
150 mm no dia 18/06/2010, antecedido de duas precipitações diárias de 82 mm e 116 mm de
precipitação respectivamente. Esses dados foram utilizados para correlacioná-los com as
medições diárias do nível d’água no pavimento permeável. No apêndice desse trabalho estão
disponibilizados os citados níveis com sua respectivas precipitações diárias.
Figura 28 – Evolução da precipitação pluviométrica para o período de junho de 2010 a
dezembro de 2010 para a estação Várzea-Lamepe.
8.2-ANÁLISE DA SENSIBILIDADE DO DIMENSIONAMENTO
A Figura 29 ilustra a espessura da camada de agregado graúdo requerida para tempos
de retorno de 2, 5, 10 e 20 anos e para durações da chuva de projeto de até 120 minutos.
Observa-se que a diferença entre as curvas, ou melhor, a diferença entre as espessuras
mínimas requeridas para uma mesma duração diminui com o incremento do tempo de retorno,
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
01/06/2010 01/07/2010 01/08/2010 01/09/2010 01/10/2010 01/11/2010 01/12/2010
Prec
ipit
ação
Plu
viom
étri
ca(m
m)
Período de Observação
57
o que pode ser notado a partir da Figura 30. A importância dessa observação se dá na fase
preliminar da escolha do risco do projeto, uma vez que todo projeto de drenagem urbana,
necessariamente possui um risco de falha o qual está associado ao tempo de retorno.
Sendo assim, fica claro que o projetista, nesse caso, poderia optar por um tempo de
retorno maior que um valor médio normalmente adotado (optar por um tempo de retorno de
10 anos ao invés de 5 anos), sem necessariamente possuir um incremento demasiado no custo
que torne inviável financeiramente a solução a ser adotada.
Figura 29 - Espessura da camada de brita do pavimento permeável para durações de projeto
associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20 anos.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Esp
essu
ra d
a ca
mad
a d
e B
rita
(m
)
Tempo(min)
Tempo de Retorno 2 anos
Tempo de Retorno 5 anos
Tempo de Retorno 10 anos
Tempo de retorno 20 anos
58
Figura 30 – Incremento da espessura da camada de agregado graúdo do pavimento permeável
para durações de projeto associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20 anos.
8.3-CARACTERÍSTICAS DA CAMADA DO REVESTIMENTO E DO SUBLEITO DO
PAVIMENTO
A camada do revestimento apresenta elevada importância por estar diretamente sujeita
as ações mecânicas oriundas do tráfego e também , no caso dos pavimentos permeáveis, ser
responsável pela captação da água de escoamento superficial através do processo de
infiltração. Nesse contexto, o conhecimento de suas características apresenta-se de maneira
fundamental. No caso de revestimentos dos blocos intertravados preenchidos com grama, o
solo que preenche os espaços vazios necessita ser caracterizado gerando subsídios para o
conhecimento do seu comportamento hidráulico. Com relação a este trabalho, foram
contemplados a realização de ensaios de granulometria e curva de retenção além do ensaio de
infiltração usando o infiltrômetro de anel simples.
Em relação à granulometria, a Figura 25 ilustrou a distribuição granulométrica para o
solo utilizado para preenchimento da camada de revestimento do pavimento. Observou-se um
predomínio da fração areia com percentagem de 84,29% e percentagem de finos (argila e
silte), com valores de 8,68% e 7,03% respectivamente . Com relação à curva de retenção, a
Figura 31 mostra o comportamento para o solo da camada superficial do pavimento. Nota-se
que o solo apresenta umidade volumétrica de saturação de 55,5% e umidade volumétrica
residual de 8,09%.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Incr
emen
to d
a c
amad
a d
e ag
regad
o
gra
úd
o (m
)
Duração da chuva de projeto (min)
Gradiente "Tr 5 - Tr 2"
Gradiente " Tr 10 - Tr 5 "
Gradiente " Tr 20 - Tr 10"
59
Figura 31– Curva de retenção obtida experimentalmente com a câmara de Richards para o
solo existente na camada de revestimento do pavimento permeável.
Com relação à característica de infiltração da cama de revestimento, um ensaio
utilizando a metodologia Beerkan apresentou uma lâmina infiltrada de 237,67 mm em 51,5
minutos de ensaio conforme demonstra a Figura 32. Além disso, buscando informações sobre
o potencial da superfície em gerar escoamento quando submetida a eventos de precipitação,
os dados observados oriundos dos ensaios de infiltração realizados foram ajustados aos
tradicionais modelos unidimensionais de Horton e Philip. Nesse sentido, o modelo de Horton
foi o que resultou em melhor ajuste com R² de 99,28% enquanto o modelo de Philip
apresentou um R² de 98,83%.
Os parâmetros da equação de Horton obtidos após o ajuste utilizando a ferramenta de
otimização Solver do Microsoft Excel foram os seguintes:
; e
Do mesmo modo os parâmetros de ajuste da equação de Philip obtidos através da
minimização da diferença ao quadrado entre os valores observados e calculados pelo modelo
foram os seguintes:
;
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55
Pote
nci
al M
atri
cial
(C
mH
2O
)
umidade volumétrica(cm³/cm³)
Curva de retenção - camada do revestimento
60
Figura 32 – Infiltração acumulada para a camada superficial do revestimento – Ajuste aos
modelos de Horton e de Philip.
O solo de preenchimento do bloco vazado possui elevadas taxas de infiltração, tanto
iniciais o que pode ser observado pelo da equação de Horton, quanto no final do processo o
que pode ser notado pelo parâmetro da equação de Philip e da equação de Horton.
Valores nessa ordem de grandeza para a velocidade básica de infiltração foram
também encontrados por Bean et al .(2004) que obtiveram taxas de 250mm/h para
pavimentos vazados onde se realizavam manutenções constantes e 10 mm/h para para o
revestimento de um local com tráfego pesado, intenso e sem manutenção da superfície. O
autor comparou através de uma série de ensaios as diferenças entre as taxas de infiltração para
locais sem manutenção e com manutenção. Para locais com manutenção o valor médio obtido
foi de 118 mm/h. Hunt (2009) obteve valores médios em torno de 86 mm/h atingindo um
valor máximo de 188 mm/h para superfícies permeáveis do mesmo tipo utilizado nessa
pesquisa. Importante informar que a metodologia desses trabalhos para quantificar a
capacidade de infiltração do pavimento permeável se baseia na adaptação da norma ASTM
D 3385, “Standard Test Method for Infiltratrion Rate in Field Soils Using Double - Ring
Infiltrometer”. Os autores adequaram essa norma utilizando-a para superfícies pavimentadas.
A estratégia para combater a dispersão lateral da infiltração uma vez que não se consegue
cravar o infiltrometro foi obtida vedando sua base com silicone.
Na realidade os valores de infiltração quando da caracterização do conjunto bloco
mais solo devem ser menores, uma vez que o bloco contribui com uma parcela impermeável
devendo-se, portanto, destinar esforços no tocante a trabalhos futuros para a adequação de
0
50
100
150
200
250
300
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Infi
ltra
ção
acu
mu
lad
a (m
m)
Tempo (h)
Lamina acumulada observada
ajuste ao modelo de Horton
ajuste ao modelo de Philip
61
superfícies com essas características, pois uma vez que não se consegue cravar os tradicionais
cilindros na superfícies desses revestimentos fica a dúvida sobre qual a real capacidade de
infiltração do conjunto. No entanto, além de fatores relacionados a textura, estrutura, teor de
matéria orgânica, umidade antecedente, e grau de compactação, fatores como a absorção do
bloco e percentagem do bloco ocupada pelo solo também devem ser levados em consideração.
Uma boa contribuição sobre modelos e metodologias para caracterizar de maneira
hidrodinâmica a superfície de pavimentos permeáveis pode ser vista em Kuang et al.(2011).
Além disso, foi realizada a caracterização dessa camada com a metodologia Beerkan,
tal metodologia permitiu descrever de maneira mais próxima da realidade o fenômeno
tridimensional da infiltração, apresentando vantagem em relação aos modelos de Horton e
Philip anteriormente ajustados uma vez que estes descrevem o fenômeno de infiltração em
uma escala vertical. A aplicação do Beerkan forneceu os seguintes parâmetros de distribuição
das partículas (M, N, Dg) apresentados na Tabela 3.
Tabela 3 - Parâmetros de forma da curva de distribuição das partículas.
Camada Classe do solo M N M.N Dg
Revestimento areia franca 0,277 2,767 0,76741 0,373
Topo do subleito areia franca 0,222 2,572 0,57205 0,455
20 cm do subleito areia franca 0,196 2,487 0,48738 0,468
Na Tabela 4, observa-se os valores dos parâmetros de forma ( m, n e η). Esses valores
estão de acordo com os obtidos por Souza et al.(2008) os quais obtiveram valores de 0,13;
2,31 e 9,54 para uma areia franca em uma parcela de solo no Estado da Paraíba.
Tabela 4 – Resultados do parâmetro de forma das relações h(θ) e K(θ).
Camada Classe do solo m n η
Revestimento areia franca 0,144 2,337 8,931
Topo do subleito areia franca 0,122 2,279 10,168
20 cm do subleito areia franca 0,112 2,253 10,913
Apresentam-se na Tabela 5 os valores de S, Ks, θ0, θs, hg e λm para solos da camada de
revestimento, topo do subleito e a 20 cm do subleito respectivamente. Uma análise
comparativa dessas propriedades mostra que a camada de revestimento apresenta valores de
sorvidade e principalmente de condutividade hidráulica maiores que os apresentados para as
demais camadas. No tocante ao material do subleito as camadas analisadas apresentam
62
valores muito próximos de condutividade hidráulica saturada e cerca de 4 vezes menor que o
da camada de revestimento.
Além disso, nota-se que λm ( raio característico de poros hidraulicamente funcionais)
possuem valores que acompanham o crescimento da densidade dos solos, uma vez que as
camadas apresentam densidades de 1,1, 1,39 e 1,58 g/cm ³ respectivamente. No entanto,
embora a camada de revestimento possua maior porosidade, o que é refletida pela sua
densidade, a mesma possui uma dimensão média dos poros que participam do processo de
infiltração menor que a dos solos do subleito. Esse resultado contrasta em parte com os
obtidos por Souza et al.(2008) que observaram um aumento de Ks e S com um aumento de λm
e com a diminuição das massas específicas. É importante observar que apesar de a camada de
revestimento apresentar poros de dimensão menor do que os das outras camadas, o seu
número de poros hidraulicamente ativos por unidade de área (Cλm) é cerca de 1000 vezes
maior do que o da camada de subleito e 10000 vezes maior do que o apresentado para a
profundidade de 20 cm do subleito. O menor diâmetro dos poros existentes nessa camada é
compensado pela sua elevada quantidade de modo que na saturação a vazão transportada é
maior. Isso explica o elevado valor da condutividade hidráulica saturada encontrada para essa
camada em relação às demais.
Tabela 5 – Valores de S, Ks, θs e hg obtidas através da metodologia BeerKan para as
camadas do revestimento, superfície do subleito e a 20 cm do subleito do pavimento
permeável.
Camada S(mm.s0,5
) Ks(mm/s) θ0(cm3/cm
3) θs(cm
3/cm
3) hg(m) λm(m) *Cλm
Revestimento 0,876 0,015 0,44 0,57 -
210,72
0,036 2,16.106
Topo do
subleito
0,363 0,004 0,2 0,45 -61,38 0,116 4,97.103
20 cm do
subleito
0,229 0,004 0,21 0,38 -35,72 0,196 6,11.102
*Quantidade de poros hidraulicamente ativos por unidade de área (Nº de poros/m²)
As análises das curvas de retenção calculadas pelo modelo mostram que para um
mesmo potencial matricial, a camada de revestimento apresenta maior capacidade de retenção
de água do que as camadas do subleito, sendo a diferença entre essas ultimas menor do que a
entre elas e a curva característica do solo do revestimento (Figura 33). A explicação para essa
maior capacidade de retenção d’água se deve provavelmente ao teor de matéria orgânica
63
existente na camada de revestimento, isso explica sua elevada umidade inicial θ0 (0,44
cm³/cm3) observada durante a realização do ensaio.
Figura 33 – Curva de retenção obtida pela metodologia Beerkan para as camadas do
revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito para o pavimento
permeável
Na Figura 34, observam-se as curvas de condutividade hidráulica para as camadas do
pavimento supracitadas. Na citada figura, a camada do revestimento, mesmo sem atingir o seu
estado de saturação, apresenta valores de condutividade hidráulica superiores aos Ks
apresentados pela camada do subleito, as quais apresentam Ks em torno de 14 mm/ h. No
entanto para valores de umidade volumétrica menores ou iguais a 0,45 cm³/cm³ as
condutividades dos solos do subleito apresentam maiores que para o material do revestimento.
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
22,0
24,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
h(m
)
θ( cm³/cm³)
Revestimento
Topo do subleito
Subleito (20 cm)
64
Figura 34 – Curva de condutividade hidráulica obtida pela metodologia Beerkan para as
camadas do revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito para o
pavimento permeável.
Além disso, a Figura 35 mostra a diferença entre a curva característica apresentada
pelo Beerkan e a curva de retenção obtida experimentalmente. Tomando a curva experimental
como referência, observa-se que para cargas de sucção maiores do que 4 m a curva de
retenção calculada pelo Beerkan apresenta valores de umidade maiores do que a curva
experimental. Enquanto que para valores menores do que 4 m, a curva obtida pelo Beerkan
estima valores menores que o experimental.
0,E+00
5,E-03
1,E-02
2,E-02
2,E-02
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55
K(θ
) (m
m/s
)
θ(cm³/cm³)
Revestimento
Superfície solo
natutal
Subleito (20 cm)
65
Figura 35 – Curva característica obtida experimentalmente e estimada pela metodologia
Beerkan.
8.4-ANÁLISE DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO DO PAVIMENTO PERMEAVEL
8.4.1-Eventos do mês de abril de 2011
O sensor de nível automático foi instalado no dia 15 de abril de 2011. Para a avaliação
do funcionamento do pavimento permeável, foram selecionados os dias de maior precipitação
total diária nos meses de abril, maio e junho de 2011. Os dias de maior total pluviométrico
foram selecionados pelo fato de se esperar uma maior alteração do armazenamento do
reservatório do pavimento nestes dias. Além disso, nos dias de maiores precipitações existe a
chance de ocorrerem as maiores intensidades de precipitação e a partir desta buscar
observações da elevação dos níveis em respostas aos eventos intensos. A Figura 36 ilustra a
precipitação total diária para o mês de abril de 2011.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
h(m
)
θ( cm³/cm³)
Curva de retenção - experimental
Curva de retenção - Beerkan
66
Figura 36- Precipitação total diária para o mês de abril de 2011.
As Figuras 37 e 38 ilustram respectivamente a precipitação acumulada e os níveis de
água no pavimento permeável em 18/04/2011. Observa-se que nos intervalo em que houve
um incremento de precipitação, os níveis de água no pavimento permeável também
responderam com um incremento dos seus valores nesse intervalo de tempo.
No primeiro trecho ascendente dos níveis, as 2 horas e 57 minutos, o nível de água era
de 34,4 centímetros. As 9 horas o nível apresentou o pico máximo de 37,9 cm, resultando em
uma taxa de ascensão média de 5,26 mm/h. Nesse período, a intensidade de precipitação
média de 1 hora e 25 minutos até as 2 horas e 6 minutos foi de 14 mm/h. Das 9 ás 17 horas
não ocorreu precipitação, o que é representado pela trecho horizontal do pluviograma e pela
ramo descendente dos níveis de água nesse período o qual apresentou uma taxa de decaimento
média de 6,04 mm/h.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
01
/04
/201
1
02
/04
/201
1
03
/04
/201
1
04
/04
/201
1
05
/04
/201
1
06
/04
/201
1
07
/04
/201
1
08
/04
/201
1
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/04
/201
1
10
/04
/201
1
11
/04
/201
1
12
/04
/201
1
13
/04
/201
1
14
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/201
1
15
/04
/201
1
16
/04
/201
1
17
/04
/201
1
18
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/201
1
19
/04
/201
1
20
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/201
1
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/04
/201
1
22
/04
/201
1
23
/04
/201
1
24
/04
/201
1
25
/04
/201
1
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/201
1
27
/04
/201
1
28
/04
/201
1
29
/04
/201
1
30
/04
/201
1
Pre
cip
itaç
ão T
ota
l D
iári
a(m
m)
Data
Precipitação-Abril de 2011
67
Figura 37- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
18/04/2011.
Figura 38- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
18/04/2011.
As Figuras 39 e 40 ilustram respectivamente o pluviograma e o nível de água para o
dia 19/04/2011 o qual apresentou como total precipitado no pavimento permeável 76,8 mm.
Destes, 23 mm, o equivalente a 30% do total ocorreram de 3h e 27 minutos até as 3h e 59
minutos resultando numa intensidade de precipitação de 32 mm/h e uma taxa de ascensão do
nível do pavimento de 7,875 mm/h. Além disso, 34,8 mm o equivalente a 45% do total
precipitado no dia ocorreram das 4horas as 5 horas da manhã, desta precipitação, 14,4 mm
ocorreram das 4horas e 19 min as 4horas e 33 minutos resultando num pico de precipitação de
270
275
280
285
290
295
300
305
310
315
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24
Pre
cipit
ação
Acu
mula
da
(mm
)
Tempo(h)
Precipitação 18/05/2011
34,1
34,35
34,6
34,85
35,1
35,35
35,6
35,85
36,1
36,35
36,6
36,85
37,1
37,35
37,6
37,85
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24
Nív
el (
cm)
Tempo
68
61,71mm/h. Resumindo, no período das 4 as 5 horas o nível de água no pavimento
apresentou uma taxa de ascensão média de 4,2 mm/h.
Figura 39- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
19/04/2011.
Figura 40 - Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
19/04/2011.
No tocante as Figuras 41 e 42, observa-se que no período de maior intensidade de
precipitação, de 12:00 as 14:00 horas o pavimento permeável não apresentou como resposta
uma elevação do nível de água neste período. Tal fato deve-se possivelmente a uma maior
resistência a infiltração da camada de solo do revestimento gerada por sedimentos e folhas de
árvores as quais geram uma colmatação da superfície. Além disso, existe o efeito da
interceptação da água pelos carros estacionados ocupando praticamente todo estacionamento
no período mais intenso do evento. Esses fatores agiram atrasando a resposta da elevação do
314319324329334339344349354359364369374379384389394
0:00 1:48 3:36 5:24 7:12 9:00 10:48 12:36 14:24 16:12 18:00 19:48 21:36 23:24
Pre
cipit
ação
Acu
mula
da
(mm
)
Tempo(h:min)
Precipitação 19/04/2011
34,534,75
3535,2535,5
35,7536
36,2536,5
36,7537
37,2537,5
37,7538
38,2538,5
0:00 1:48 3:36 5:24 7:12 9:00 10:4812:3614:2416:1218:0019:4821:3623:24
Nív
el (
cm)
Tempo(h:min)
69
nível do reservatório de brita. Uma vez terminado o período mais intenso de precipitação,
possívelmente ocorreu um empoçamento da superfície cujo volume foi se infiltrando a taxas
lentas resultando na elevação do nível de água no período da 14:30 as 22:00 horas.
Figura 41- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
20/04/2011.
Figura 42- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
20/04/2011.
As Figuras 43, 44, 45 e 46 mostram a precipitação pluviométrica acumulada e o nível
de água no reservatório do pavimento permeável para os dias 29/04/2011 e 30/04/2011,
respectivamente. No tocante a precipitação do dia 29/04, observa-se um período mais intenso
394
399
404
409
414
419
424
429
434
439
444
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24
Pre
cipit
ação
acu
mula
da(
mm
)
Tempo(h:min)
Precipitação acumulada em20/04/2011
32,9
33,15
33,4
33,65
33,9
34,15
34,4
34,65
34,9
35,15
35,4
35,65
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24
Nív
el(c
m)
Tempo(h:min)
70
a partir das 23:30h o qual continua até a meia noite e trinta minutos do dia 30. Neste período
de aproximadamente uma hora, a intensidade média de precipitação foi 66,95 mm/h que
equivale a um tempo de retorno de aproximadamente 15 anos, resultado este obtido através da
utilização da equação proposta para o Recife por Ramos e Azevedo (2010). Observa-se que
este tempo de recorrência é muito superior ao utilizado para microdrenagem (2 a 10 anos).
Neste período onde a precipitação se apresentou de forma mais intensa, o nível de
água do pavimento permeável apresentou uma elevação de 10,08 cm o que equivale a uma
taxa de ascensão de 3,36 mm/min. Esta taxa é a máxima observada até esta data de
monitoramento.
Figura 43- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
29/04/2011.
505
510
515
520
525
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24
Pre
cipit
ação
acu
mula
da(
mm
)
Tempo(h:min)
Precipitação acumulada 29/04/2011
71
Figura 44- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
29/04/2011.
Figura 45- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
30/04/2011.
30
32
34
36
38
40
42
44
46
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24
Nív
el(c
m)
Tempo(h:min)
525
535
545
555
565
575
585
595
605
615
625
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24
Pre
cipit
ação
acu
mula
da(
mm
)
Tempo(h:min)
Precipitação acumulada 30/04/2011
72
Figura 46- Variação do nível do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
30/04/2011.
8.4.2-Eventos do mês de maio de 2011
A Figura 47 ilustra a evolução da precipitação pluviométrica com o tempo para o mês
de maio de 2011. Observa-se que nos dias 01/05/2011 a 05/05/2011 ocorreram as maiores
alturas de precipitações diárias perfazendo um total de 265,8 mm nesses cinco primeiros dias
o que corresponde correspondeu a 44,27% do total mensal o qual foi 600,4 mm. Além dos
eventos acima citados, destacam-se os eventos dos dias 19, 23 e 29 de maio os quais
apresentaram precipitações pluviométricas num total de 59,8 mm, 64,4mm e 56,2 mm,
respectivamente.
30
32
34
36
38
40
42
44
46
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24
Nív
el(c
m)
Tempo(h:min)
Nível 30/04/2011
73
Figura 47-Precipitação pluviométrica diária para o mês de maio de 2011.
No tocante ao pluviograma evento do dia 01/05/2011 (a Figura 48), observa-se dois
trechos de ascensão da precipitação sendo que o primeiro corresponde ao período mais
intenso com intensidade de precipitação de 28,89 mm/h.
Figura 48- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
01/05/2011.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01/0
5/2
011
02
/05
/20
110
3/0
5/2
011
04/0
5/2
011
05/0
5/2
011
06/0
5/2
011
07/0
5/2
011
08/0
5/2
011
09/0
5/2
011
10/0
5/2
011
11/0
5/2
011
12
/05
/20
111
3/0
5/2
011
14
/05
/20
1115/0
5/2
011
16/0
5/2
011
17/0
5/2
011
18/0
5/2
011
19/0
5/2
011
20/0
5/2
011
21/0
5/2
011
22/0
5/2
011
23
/05
/20
112
4/0
5/2
011
25/0
5/2
011
26/0
5/2
011
27/0
5/2
011
28/0
5/2
011
29/0
5/2
011
30/0
5/2
011
31/0
5/2
011
Pre
cipit
ação
Tota
l D
iári
a(m
m)
Data
Precipitação-Maio de 2011
623
628
633
638
643
648
653
658
663
668
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:55 12:28 14:02 15:36 17:09 18:43 20:16 21:50 23:24
Pre
cipit
ação
acu
mula
da
(mm
)
tempo(h:min)
Precipitação 01/05/2011
74
Uma vez que o reservatório do pavimento permeável apresentava-se parcialmente
cheio, a taxa de recarga do pavimento é contrabalanceada pela infiltração na base do
pavimento através do solo natural, de modo que a velocidade de queda do nível para esta data
no mesmo período correspondente ao trecho mais intenso da precipitação (de meia noite a
uma hora da manhã) apresentou um valor de 0,051cm/min.
Além disso, uma vez terminada a influência da recarga do dispositivo de infiltração
nota-se uma fase de passagem da água armazenada no reservatório de brita para ao solo
natural conforme Figura 49 , uma vez que o solo no topo do subleito do pavimento apresenta-
se saturado, observa-se no período das 3h:53 min as 4:41 min uma drenagem livre com o
nível partindo de 42,7 cm para 8,4 cm respectivamente neste intervalo de tempo
correspondendo a uma taxa de infiltração de 1,19.10-2
cm/s.
Figura 49- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
01/05/2011.
O evento do dia 02/05/2011 é ilustrado pela Figura 50, o qual demonstra a evolução da
precipitação pluviométrica ao longo da data supracitada resultando em um total pluviométrico
de 58,4 mm. Além disso, observa-se que este total precipitado apresenta-se de forma
distribuída ao longo do dia o que irá resultar em variações no nível do pavimento permeável o
qual acompanha as variações da precipitação conforme a Figura 51.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24
Nív
el(c
m)
Tempo(h:min)
Nível 01/05/2011
75
Figura 50- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
02/05/2011.
Oscilações no nível de água dentro do reservatório de pedras do pavimento permeável
para o dia 02/05/2011 podem ser notadas na Figura 51. Essas oscilações acompanham as
variações ocorridas na precipitação para este evento, apresentando queda devida a infiltração
nos trechos em que ocorre uma estabilização da precipitação, estabilização estas representado
pelas retas horizontais dos pluviogramas. Além disso, nota-se que o pavimento apresentou um
nível mínimo de 6,02 centímetros e um máximo na transição do dia 02/05 para o dia
03/05/2011 com valor de 70,42 centímetros, significando um extravasamento da seção do
pavimento.
No tocante as taxas de recessão dos níveis, o evento apresentou cinco trechos
significativos de queda do nível de água, no primeiro trecho de 00h00min as 00h22min o
nível d’água apresentou uma variação de 25,12 cm para 11,9 cm resultando em uma taxa de
recessão de 1,0. 10-2
cm/s neste período. Em relação ao segundo trecho de queda o nível
variou de 44,94cm a 11,62 cm das 04h:46min as 05h:54min resultando em uma taxa de
infiltração de 9,26.10-3cm/s , no terceiro trecho de 63,42 centímetros as 08h:51 min para
10,92 centímetros as 10h:00min, no quarto trecho o nível variou de 62,16 centímetros as 19
h:32min para 11,9 centímetros as 20 h:20 min e no quinto trecho de 62,16 centímetros as
22h:28min para 27,44 centímetros as 23 h:00 min, resultando em taxas de infiltração de
1,27.10-2
cm/s, 1,61.10-2
cm/s e 1,81.10-2
cm/s respectivamente.
660
665
670
675
680
685
690
695
700
705
710
715
720
725
730
0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:55 12:28 14:02 15:36 17:09 18:43 20:16 21:50 23:24
Pre
cipit
ação
acm
ula
da
(mm
)
tempo(h:min)
Precipitação 02/05/2011
76
Em relação às taxas de ascensão dos níveis também se observam cinco trechos
significativos de incremento das cargas hidráulicas em função da recarga por infiltração da
camada superior do pavimento. No primeiro trecho de ascensão o nível variou de 11,9
centímetros as 00h: 22min para 35,56 centímetros as 00h: 32min resultando em uma taxa de
3,94. 10-2
cm/s de ascensão, no segundo trecho de ascensão os níveis variaram de 11,62
centímetros as 05h:54 min para 65,66 centímetros as 06h:27 min resultando em uma taxa de
ascensão de 1,63 cm/min.
Figura 51- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
02/05/2011.
O evento do dia 03/05/2011(Figura 52) é o terceiro de uma seqüência 3 dias
consecutivos com precipitações diárias elevadas, sendo que nos últimos dois dias o total
precipitado é de aproximadamente 100 mm chegando a 172,2 mm quando contabilizado o
evento desta data. Nota-se que a precipitação ocorreu de forma distribuída ao longo do dia,
com a máxima intensidade de precipitação ocorrendo das 09h:47 min as 09h:59 min com a
precipitação variando 7 mm em 12 minutos o que equivale a uma intensidade de 35 mm/h.
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Tempo(h:min)
Nível 02/05/2011
77
Figura 52 - Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
03/05/2011.
No período em que a intensidade de precipitação foi máxima o nível no Pavimento
permeável (PP) também foi máximo apresentando o valor de 73,2 centímetros, indicando uma
sensibilidade de resposta do dispositivo aos incrementos das taxas de precipitação na
superfície. Além disso, a Figura 53 a seguir mostra que não houve variações significativas nos
picos dos níveis ao longo desta data com taxa de ascensão apresentando o valor de 5,91.10-
2cm/s no primeiro trecho, 6,14.10
2cm/s no segundo trecho, 3,45 .10
-2 cm/s no terceiro trecho,
7,02.10-2
no quarto trecho e 6,8.10-2
cm/s no quinto trecho de incremento acentuado dos
níveis.
Em relação as taxas de infiltração, fenômeno esse descrito pelos trechos descendentes
dos níveis na Figura 53 observaram-se taxas de 1,17.10-2
cm /s para o primeiro trecho,
9,18.10-3
cm/s para o segundo trecho, 5,034.10-3
para o terceiro trecho, 8,05.10-3
cm/s para o
quarto trecho e 7,98.10-3
cm/s para o quinto trecho respectivamente.
Os valores supracitados mostram que a taxa de infiltração da superfície do dispositivo
de infiltração (parte do pavimento sujeita as condições atmosféricas) mostra-se superior a taxa
de infiltração do topo do perfil de solo suporte do pavimento permeável (parte inferior a
camada de brita e areia), mostrando que os efeitos de compactação oriundos das pressões
exercidas pelos pneus dos automóveis somados ao aporte de sedimentos e presença de folhas
na camada superior do pavimento até esta data de monitoramento não foram capazes de
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Precipitação 03/05/2011
78
diminuir de maneira drástica a capacidade de infiltração desta camada a ponto de dificultar o
abastecimento das camadas inferiores da estrutura drenante.
Com efeito, a grama deve estar agindo de maneira a amortecer as ações mecânicas
supracitadas, além de também criar uma maior macroporosidade devido às ações das raízes
justificando assim a maior taxa de infiltração da superfície mesmo estando sob a influencia de
ações mecânicas dos automóveis, e da presença de outros fatores como a formação de camada
de sedimentos e a presença de folhas.
Figura 53 - Variação do nível de água a no reservatório do pavimento permeável em
03/05/2011.
O evento referente ao dia 04/05/2011 é demonstrado pela Figura 54, o total
pluviométrico referente a este dia equivale a 52,6 mm. As intensidades de precipitação mais
significativas apresentaram o valor de 28,46 mm/h, 8,4 mm/h e 21,09 mm/h, respectivamente.
Seguindo o comportamento dos níveis deste monitoramento até a presente data, observa-se
que houve uma correspondência entre as variações do nível do reservatório e as variações da
intensidade de precipitação com os níveis apresentando respostas rápidas aos incrementos de
precipitação. Além disso, nota-se um extravasamento do reservatório em vários períodos ao
longo deste dia (Figura 55), tal fato pode está ligado diretamente a ocorrência de chuvas
sucessivas hipótese esta não considerada no dimensionamento do experimento uma vez que o
volume de entrada foi determinado através do método racional e este não considera o feito de
chuvas sucessivas.
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Tempo(h:min)
Nível 03/05/2011
79
Figura 54- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
04/05/2011.
Figura 55- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
04/05/2011.
O evento referente ao dia 05/05/2011(Figura 56) apresenta uma particularidade onde
nota-se um primeiro trecho com elevada intensidade de precipitação com pequenas variações
até as 07 horas e 7 minutos e após este trecho uma estagnação da precipitação, observa-se que
houve um extravasamento do pavimento permeável e que o mesmo permaneceu cerca de 7
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Tempo( h:min)
Nível 04/05/2011
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horas com oscilações próximas ao nível máximo. Após cessada a precipitação e após
terminada a alimentação oriunda dos pontos mais distantes que contribuem para o
experimento, nota-se um decaimento do nível basicamente exponencial e uma vez cessada a
precipitação tal decaimento se deve a drenagem livre da água do reservatório governado pela
infiltração da camada do solo natural ou solo suporte do experimento.
Figura 56- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
05/05/2011.
Figura 57- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
05/05/2011.
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Precipitação 05/05/2011
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Tempo(h:min)
Nível 05/05/2011
81
A Figura 58 ilustra o evento referente ao dia 10/05/2011, esse dia apresentou como
total precipitado uma lâmina de 19 mm, no dia anterior tinha ocorreu um total precipitado de
21,4 mm o que favoreceu ao aumento da umidade da superfície da área de contribuição do
pavimento permeável. Nota-se que esse evento apresentou a partir das 8 horas um trecho
intenso variando de 935,4 mm para 944,6 mm as 8 horas e 46 minutos resultando em uma
intensidade de precipitação de 10,93 mm/h , esse evento mostra que o experimento possui
uma elevada sensibilidade a pequenas variações da precipitação o que pode ser demonstrado
pela correspondência entre as variações no pluviograma e os incrementos nos níveis
respondendo as variações da precipitação.
Figura 58- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
10/05/2011.
Deste modo, os níveis d’água apresentaram três trechos ascendentes com velocidades
de ascensão de 1,36 cm/min no primeiro trecho, 1,90cm/min no segundo trecho
correspondendo a uma variação de 2,38cm para 53,9 cm das 14 horas e 1 minuto as 14 horas
e 28 minutos, enquanto que no terceiro trecho ascendente os níveis apresentaram uma
variação de 5,04 cm as 20 horas e 56 minutos para 60,76 cm as 21 horas e 39 minutos
resultando em uma taxa de ascensão de 1,30 cm/min( Figura 59). Essas taxas de elevação dos
níveis apresentam muito superiores as intensidades de precipitação, além disso, é importante a
observação de que o experimento recebe como entrada não apenas a precipitação em cima de
sua área mas também uma vazão superior a área prevista no dimensionamento, de modo que
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Precipitação acumulada 10/05/2011
82
essas lâminas de entrada no reservatório do pavimento são proporcionais a essa elevada área
de drenagem superior aquela adotada na concepção do dispositivo.
Em relação as taxas de recessão, as lâminas d’água apresentaram para esse evento
valores de 0,44 cm/min para o período compreendido entre 11 horas e 31 minutos e 13 horas e
32 minutos com lâmina d’água variando de 55, 72 cm a 2,66 centímetros no primeiro trecho
significativo de queda, 0,16 cm/min no segundo trecho significativo de queda o qual foi
considerado das 15 horas e 17 minutos as 20 horas e 42 minutos com lâminas d’água de 54,04
e 5,46 cm respectivamente.
Em geral os fluxos de água do reservatório de brita para o solo natural apresentaram-se
menores que as taxas de infiltração do revestimento para o interior do dispositivo, Araujo
(2000) cita que a capa de revestimento do pavimento poroso deve possuir uma taxa de
infiltração típica de 3800 mm/h, nesse contexto observa-se que os valores obtidos ao longo do
monitoramento desse experimento na ordem de grandeza dessa referência, comparando por a
taxa de 1,9 cm/min (1140 mm/h) do segundo trecho de ascensão desse evento de 10/05/2011
observa-se que o mesmo apresenta-se compatível com a referência citada.
Figura 59- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
10/05/2011.
O pluviograma referente ao dia 11/05/2011 é explicitado pela Figura 60, nota-se
basicamente um primeiro trecho mais intenso entre 1 hora e 47 minutos e 2 horas e 34
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tempo(h:min)
Nível 10/05/2011
83
minutos resultando numa variação de 965,6 mm para 953,8 mm o que equivale a uma
intensidade de precipitação de 15, 06 mm/h a qual foi a mais significativa para esse evento.
Figura 60- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
11/05/2011.
Seguindo o comportamento apresentado pelo pluviograma, o reservatório do
pavimento permeável apresentou um trecho de ascensão bastante intenso partindo de um valor
de 6,58 cm as para 61,88 cm (valor máximo para esse evento) em aproximadamente 45
minutos resultando em uma velocidade de ascensão de 1,23 cm/min, além disso mesmo após
o termino da precipitação ( 7horas e 26 minutos) o reservatório de pedras do pavimento
permaneceu cerca de uma hora e 28 minutos com um patamar basicamente horizontal para
em seguida apresentar uma queda no volume armazenado pelo pavimento a uma taxa
basicamente linear ( Figura 61).
A pouca variação da lâmina d’água logo após o termino da precipitação se deve ao
aporte de água de escoamento superficial resultante da contribuição dos pontos mais distantes
da área de drenagem do estacionamento, some-se a isso, o fato de ter sido observado logo
após o experimento uma deposição de sedimentos ocasionando uma retenção da vazão que
passava sobre o pavimento gerando um certo empoçamento da superfície, de modo que a taxa
de infiltração do reservatório de pedras para o solo natural é contrabalanceada pela infiltração
da camada de revestimento para o reservatório de pedras.
Além disso, nota-se que existe uma similaridade entre os formatos da curva referente a
evolução dos níveis ao longo do dia apresentada por esse evento (11/05/2011) e aquele
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Tempo(h:min)
Precipitação acumulada 11/05/2011
84
demonstrado para o evento correspondente ao dia 05/05/2011 indicando que o experimento
apresenta um padrão ( formato trapezoidal) ou um modelo de respostas para precipitações
com essa característica de distribuição temporal ( trecho intenso no início do evento seguido
de um patamar horizontal).
Figura 61- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
11/05/2011.
O evento correspondente ao dia 19/05/2011(Figura 62 e 63) apresentou
comportamento similar aos demais eventos que possuíam distribuição temporal de
precipitação ao longo do dia com uma sucessão de ‘patamares’ de precipitação, ou seja, dias
em que a precipitação apresentava incrementos e estabilização. Com referência ao total
precipitado essa data apresentou um total de 59,8 mm para um período de 24 horas com uma
intensidade de precipitação máxima compreendida no período das 10 horas e 16 minutos as
11 horas e 16 minutos com total precipitado de 27,2 mm nesse intervalo de tempo
correspondendo a 45,48 % do total precipitado nesse dia.
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Nível 11/05/2011
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Figura 62- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em
19/05/2011.
Nos períodos chuvosos os níveis apresentaram variação positiva, com formato
basicamente trapezoidal (Figura 63) distinguindo-se basicamente três trechos: ascensão, pico
com estabilização durante certo tempo proporcional ao período e intensidade de precipitação,
trecho de queda. Além disso, as taxas de infiltração observadas durante o período de
monitoramento apresentaram valores próximos as faixas existentes na literatura para a fração
areia, como a granulometria tanto do revestimento quanto do solo natural apresentam valores
dessa fração superiores a 70 % é possível que essa característica esteja influenciando
decisivamente na drenagem do dispositivo, quando o reservatório esta cheio ou próximo de
sua capacidade e levando em consideração que o pavimento possui um volume útil de 1,064
m³ (considerando que as camadas de areia possui a mesma porosidade da brita e também
armazenam água ou seja atuam como reservatório).
Nesse contexto, o solo abaixo da camada de reservatório apresenta-se também
armazenando água já que a evacuação do dispositivo se dá exclusivamente por infiltração no
solo, processo esse facilitado pela elevada composição de areia no perfil do pavimento
conforme demonstrado na Figura 25, justificando assim a afirmação de Silveira et al., 2009 os
quais afirmam que um “solo arenoso só é bom dreno quando está saturado.”
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Tempo(h:min)
Precipitação 19/05/2011
86
Figura 63- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em
19/05/2011.
Os eventos ocorridos a partir do dia 22/05/2011 não registraram os níveis na camada
do reservatório do pavimento permeável devido a falhas de armazenamento de dados do
sensor de nível.
8.4.3-Perfis de umidade volumétrica e de potencial matricial para eventos selecionados
nos meses de abril e maio de 2011.
O solo suporte do pavimento permeável deve proporcionar uma dissipação do volume
de água armazenada no dispositivo. Tal capacidade de evacuação do seu volume está
relacionada à capacidade do sistema em estar preparado para efetuar retenção dos volumes de
água de escoamento superficial gerados. Para ocorrer esse movimento é necessário que exista
uma diferença de potencial total entre dois pontos da estrutura do pavimento. Nesse sentido, a
Figura 64 ilustra o potencial matricial da água no solo dos dias 16/04/2011 a 20/04/2011,
período no qual, choveu 255,6 mm, sendo 0,2 mm para o dia 16, e 53,4 mm pra o dia 17 do
mês de abril, 44,4 mm para o dia 18, 76,8 mm e 28,6 mm para os dias 19 e 20
respectivamente.
Nota-se que o potencial matricial no solo apresenta-se cada vez menos negativo com o
decorrer dos dias indicando uma tendência do perfil a movimentar-se para a direita do gráfico
caso continue o aporte de água no reservatório do pavimento permeável.
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tempo (h:min)
Nível 19/05/2011
87
Figura 64- Perfil de potencial matricial da água no solo para o período de 16/04/2011 a
20/04/2011.
No tocante ao movimento da água no solo, onde a água se desloca para um estado de
menor energia, ou seja, do maior potencial total (menos negativo) para o menor potencial total
(mais negativo), nota-se de acordo com a Figura 65 que todos os perfis apresentam
características de fluxo de drenagem até a profundidade de 69 cm (a referencia é tomada no
topo do revestimento). A partir dessa profundidade, o perfil passa a apresentar características
de ascensão capilar principalmente para os dias 16/04 e 17/04, no dia 16/04 fluxo de ascensão
capilar de 69 cm a 99 cm e fluxo de drenagem de 99 cm a 114 cm enquanto que no dia 17/04
de 69 cm a 114 cm de profundidade o movimento da água no solo mostrou-se ascendente ,
voltando a partir daí a evidenciar características de drenagem no perfil de solo.
Além disso, observa-se que em decorrência dos eventos de precipitação, a partir do dia
18/04 as camadas de 69 a 84 cm que não participavam evidenciando drenagem no perfil
passam a apresentar esse tipo de fluxo. Tal mudança de comportamento se deve
provavelmente a maior interconexão com água dos poros que participam ativamente do
processo de transporte do volume antes contido no reservatório e agora sendo encaminhado
para as camadas mais profundas, sendo natural que a camada do topo do subleito por estar
diretamente ligada a camada de reservatório apresente fluxo descendente.
É importante observar que o equipamento fornece informações pontuais (no tempo e
no espaço) do estado de energia da água no solo, podendo apresentar deficiências seja na
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) Potencial matricial (cmH20)
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precisão das leituras, seja pelo fato de no momento da leitura o reservatório encontrar-se cheio
ou seco, uma observação é que as leituras eram realizadas manualmente e visualmente nos
período das 15h00min horas as 17h00min horas. Claramente, mais leituras no decorrer do dia
podem detalhar mais precisamente a evolução desse processo dinâmico.
Figura 65- Perfil de potencial total da água no solo para o período de 16/04/2011 a
20/04/2011.
O perfil de umidade foi calculado através da relação biunívoca entre a umidade e
potencial matricial (curva característica ou curva de retenção da água no solo), de modo que
para isso, dispõe-se de uma curva média para uma amostra da superfície do subleito do
pavimento permeável representada pela Figura 66. Os resultados experimentais foram
ajustados ao modelo de van Genutchen (1980) com a hipótese de Mualem (1976), o ajuste se
deu através de estratégia de otimização utilizando a ferramenta solver da Microsoft Excel, o
R² obtido através desse ajuste vale 94,64%.
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-165 -155 -145 -135 -125 -115 -105 -95 -85
Pro
fundid
ade
(cm
)
Potencial total da água no solo (cmH20)
16/04/2011
17/04/2011
18/04/2011
19/04/2011
20/04/2011
89
Figura 66- Curva característica calculada e ajustada para o topo do subleito do pavimento.
A equação obtida segundo o modelo de van Genutchen é a seguinte:
( )
( ( ) ) (34)
Através da equação 34, admitindo solo homogêneo, calcularam-se os perfis de
umidade conforme Figura 67 para as datas correspondentes ao potencias matriciais da Figura
64. De uma maneira geral, nota-se um incremento gradual do armazenamento de água no solo
para o período considerado ocorrendo um leve secamento dos dias 17 para o dia 18 de 99 cm
a 114 cm de profundidade.
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cm H
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Curva de retenção observada
Curva de retenção ajustada
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Pro
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ade
(cm
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Umidade volumétrica (cm³/cm³)
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18/04/2011
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20/04/2011
90
Figura 67- Perfis de umidade volumétrica calculados para o período de 16/04/2011 a
20/04/2011.
Foram analisados também os comportamentos do potencial matricial, potencial total
além dos perfis de umidade volumétrica referentes ao período de 28/04/2011 a 01/05/2011 e
do período de 02/05/2011 a 06/05/2011. Esses períodos foram escolhidos por apresentarem
elevado total precipitado conforme Figuras 36 e 47 supracitadas.
Para o período de 28/04/2011 a 01/05/2011 o total precipitado foi de 161,8 mm com
precipitação máxima no dia 30/04 de 97,4 mm equivalendo a 60,24% do total precipitado. Na
Figura 68 observa-se que para esses dias praticamente não existe diferença entre os potenciais
monitorados até a profundidade de 69 cm. No entanto, a partir desta profundidade percebe-se
que houve um aumento do conteúdo de água no solo até a profundidade de 99 centímetros o
que pode ser notado pelo aumento do potencial matricial de maneira leve, porém consecutiva
no tocante aos dias monitorados, ou seja, a partir do dia 28/04/2011 o potencial matricial
passa a ficar cada vez menos negativo para o trecho citado.
Figura 68- Perfis de potencial matricial monitorados para o período de 28/04/2011 a
01/05/2011.
Com referência ao potencial total, esse período apresentou perfis de potencial (Figura
69) apresentando comportamento de drenagem das profundidades de 54 cm a 69 cm e das
profundidades de 99 cm a 144 centímetros sendo que no trecho entre 69 e 99 centímetro
ocorreu um fluxo ascendente (ascensão capilar) a partir da camada de 99 cm todos os perfis
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
-150 -125 -100 -75 -50 -25
Pro
fundid
ade
(cm
)
potencial matricial (cmH20)
28/04/2011
29/04/2011
30/04/2011
01/05/2011
91
apresentaram comportamento de fluxo descendente. É possível que tal comportamento de
ascensão capilar do trecho compreendido de 69 a 99 cm seja devido a ação das partículas
finas (argila + silte) as quais mesmo em menor proporção no solo conforme demonstrado na
análise granulométrica apresentam uma certa atividade no solo agindo e dificultando que o
perfil continue com o comportamento de drenagem. Além disso, o tensiômetro encontra-se
disposto de forma pontual de modo que o mesmo pode estar instalado ou envolto a um
pequeno “bolsão” de argila fazendo com que nessa camada ocorra essa inversão de sentido do
fluxo. Salienta-se que o ideal seria uma medida automática da umidade que permitisse o
monitoramento de sua redistribuição no solo durante o período de drenagem do reservatório.
Figura 69- Perfis de potencial total monitorados para o período de 28/04/2011 a 01/05/2011.
Com a utilização da equação 38, foram obtidos os perfis diários de umidade
volumétrica para o período de 28/04/2011 a 01/05/2011 conforme Figura 70. Observa-se um
aumento do conteúdo de água no solo até a camada de 69 cm. Essa pequena variação da
umidade notada nesse trecho demonstra o potencial da mesma em transferir água rapidamente
e voltar a um estado de umidade de “equilíbrio”.
Após esse trecho de variação, de 69 a 99 cm ocorre um aumento contínuo do teor de
água no solo notando-se um maior armazenamento no trecho correspondente as profundidades
de 69 a 84 cm, e a partir dessa profundidade leves porém crescentes deslocamentos dos perfis
de umidade volumétrica, a partir da camada de 99 cm, os dias 28/04 e 29/04 apresentam
pequena variação do teor de umidade, ocorrendo uma elevação mais preponderante dos dias
29 a 30/04 indicando que as camadas mais profundas passam a receber a influência das
40
60
80
100
120
140
-200 -180 -160 -140 -120 -100
Pro
fundid
ade
( cm
)
Potencial total ( cm H20)
28/04/2011
29/04/2011
30/04/2011
01/05/2011
92
camadas superiores ou melhor as camadas mais profundas são umedecidas pelas superiores
através do processo de redistribuição.
Figura 70- Perfis de umidade volumétrica calculados para o período de 28/04/2011 a
01/05/2011.
A Figura 71 demonstra os perfis de potencial matricial observados para o período
compreendido entre os dias 02/05/2011 e 06/05/2011. Até a profundidade de 69 cm o perfil
não apresenta diferenças significativas entre os potenciais matriciais, apresentando no fim do
período chuvoso representado pelo dia 05/05 os seus valores menos negativos, já no dia 06/05
ocorre um recuo para esquerda do perfil de potencial matricial indicando secamento do solo.
54
64
74
84
94
104
114
124
134
0,375 0,4 0,425 0,45 0,475
Pro
fundid
ade
(cm
)
Umidade volumétrica (cm³/cm³)
28/04/2011
29/04/2011
30/04/2011
01/05/2011
93
Figura 71- Perfis de potencial matricial para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011.
No tocante aos perfis de umidade volumétrica (Figura 72), observa-se um recuo já
para o dia 06/05 indicando um secamento do subleito do pavimento e um perfil mais
adiantado para a direita demonstrando que no final ou melhor no ultimo dia com altura
significativa de chuva (dia 05/058) o perfil apresentou um aumento significativo de
armazenamento, sendo esse aumento mais significativo nas camadas de 69 a 84 cm as quais
nessa região observa-se que o a distancia entre os perfis para o dia 02/05/2011 e 06/05/2001
são maiores.
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
-145 -132,5 -120 -107,5 -95 -82,5 -70 -57,5 -45 -32,5P
rofu
ndid
ade
(cm
) potencial matricial (cmH20)
02/05/2011
03/05/2011
04/05/2011
05/05/2011
06/05/2011
94
Figura 72- Perfis calculados de umidade volumétrica para o período de 02/05/2011 a
06/05/2011.
Com relação aos perfis de potencial total (Figura 73), da mesma forma que no período
de 28/04 a 01/05, do topo do subleito até a camada de 69 cm o perfil apresenta um sentido de
fluxo de drenagem para todas as datas, invertendo o sentido para ascensão capilar no trecho
correspondente a camada de 69 a 99 centímetros, para posteriormente apresentar novamente
características de drenagem para todo o perfil de solo.
54
64
74
84
94
104
114
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134
144
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0,35 0,375 0,4 0,425 0,45 0,475
Pro
fundid
ade
(cm
) umidade volumétrica (cm³/cm³)
02/05/2011
03/05/2011
04/05/2011
05/05/2011
06/05/2011
95
Figura 73- Perfis de potencial total para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011.
8.4.4-Eventos do mês de junho de 2011.
A Figura 74 a seguir ilustra a evolução da precipitação pluviométrica para o mês de
junho de 2011com total precipitado de 252 mm com média de 8, 4 mm por dia. Percebe-se
que os dias 16/06/2011 e 21/06/2011 foram os que apresentaram alturas de precipitações
diárias mais expressivas para o mês com valores de 60,6 mm e 42,4 mm respectivamente. Da
mesma forma que no fim do mês de maio, alguns dias do mês de junho também apresentaram
falhas no armazenamento dos dados, por sorte esse mês não apresentou um regime
pluviométrico de acordo com sua média histórica, de modo que no apêndice desse trabalho
encontra-se a apenas o comportamento dos níveis d’água para alguns eventos desse mês após
ser solucionada a falha de armazenamento do sensor.
54
64
74
84
94
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124
134
144
154
-200 -180 -160 -140 -120 -100
Pro
fundid
ade
(cm
) Potencial total (cmH20)
02/05/2011
03/05/2011
04/05/2011
05/05/2011
06/05/2011
96
Figura 74- Precipitação pluviométrica diária para o mês de junho de 2011.
8.4.5-Eventos do mês de julho de 2011.
A Figura 75 ilustra a distribuição da precipitação pluviométrica diária para os doze
primeiro dias do mês de julho de 2011. Os dias 02, 05,09 e 12 do mês de julho foram os que
apresentaram as maiores precipitações até o período considerado com valores de 22,4 mm ,
39,8 mm , 35,2 mm e 28,8 mm respectivamente.
Observa-se que o pavimento permeável apresentou valores máximos e mínimos de
níveis proporcionais aos valores precipitados. Além disso, esse período de monitoramento
corresponde a um intervalo de tempo onde a superfície do pavimento teve sua vegetação
cortada (Figura 76), de modo que o solo para preenchimento dos blocos vazados estava
exposto às ações dos impactos das gotas das chuvas e aos efeitos mecânicos dos automóveis e
pedestres que por cima dele estacionam e circulam.
0
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50
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6/2
011
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01
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01
115/0
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011
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01
117/0
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119/0
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21/0
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011
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6/2
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26/0
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011
27/0
6/2
011
28/0
6/2
011
29/0
6/2
011
30/0
6/2
011
Pre
cipit
ação
Tota
l D
iári
a (m
m)
Data
Precipitação - junho de 2011
97
Figura 75- Precipitação pluviométrica diária, níveis máximos diários e níveis mínimos
diários para o período correspondente a 01/07/2011 a 12/07/2011.
Figura 76- Pavimento permeável como solo sem vegetação. Período de julho de 2011.
8.5 - SIMULAÇÃO NUMÉRICA USANDO O HYDRUS 1-D
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
10
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30
40
50
60
Pre
cipit
ação
Diá
ria
(mm
)
Nív
eis
(cm
)
Data
Níveis máximos (cm)
Níveis mínimos ( cm)
Precipitação Diária
(mm)
98
8.5.1 - Análise de sensibilidade do Modelo a condutividade Hidráulica saturada do solo
base do pavimento.
Com os dados da granulometria do solo natural, foram realizadas utilizando o Hydrus-
1D análises de sensibilidade do modelo em relação a condutividade hidráulica saturada K da
base do perfil buscando obter informações sobre as variações dos potenciais matriciais de
saída do modelo para a partir daí obter cenários para uma melhor simulação dos níveis
medidos no pavimento.
As condições de contorno superior do perfil do solo foram as condições atmosféricas
com a superfície do solo submetido às condições de precipitação pluviométrica, escoamento
superficial e evaporação a qual foi desconsiderada. A condição de contorno inferior foi à
drenagem livre, ou seja, gradiente hidráulico unitário com fluxo na base da camada de 164 cm
do pavimento igual a condutividade hidráulica.
Utilizando como dados de entrada os referentes a Tabela 2, o Hydrus – 1D fornece as
seguintes características hidrodinâmicas para o solo natural conforme Tabela 6.
Tabela 6 – Propriedades hidrodinâmicas do solo natural estimadas pelo Hydrus 1-D a partir
do software Rosetta.
Profundidade
(cm) Θr(cm³/cm³) Θs(cm³/cm³) α(1/cm) n Ks(cm/dia)
0 - 10 0, 0545 0, 5305 0, 0304 1, 4084 227,82
10 -20 0, 0537 0, 5243 0, 0271 1, 4032 219,31
20-30 0, 0524 0, 5295 0, 0323 1, 4147 241,98
30-40 0, 0532 0, 5408 0, 0404 1, 4901 283,42
40-50 0, 0584 0, 5292 0, 0254 1, 4007 197,96
50-60 0, 0539 0, 5264 0, 0282 1, 4042 222,2
60-70 0, 0518 0, 525 0, 0299 1, 4073 235,48
70-80 0, 0518 0, 5355 0, 038 1, 4527 270,49
80-90 0, 0542 0, 5386 0, 0369 1, 4485 257,38
90-100 0, 0518 0, 5251 0, 03 1, 4074 235,60
Média 0,05357 0,53049 0,03 1, 42372 239, 164
Desvio
padrão 0, 00198944 0, 00591 0, 00498 0, 0299 25, 4173013
99
Uma vez que para fins práticos, a obtenção de informações detalhadas para o perfil
pode se tornar dispendioso ou até mesmo inviável, nesta análise de sensibilidade trabalhou-se
com as propriedades hidrodinâmicas médias do subleito.
Para a seção do pavimento dimensionada neste trabalho e representada pela Figura 27
foram utilizadas as propriedades hidráulicas do solo conforme mostra a Tabela 7. A análise
dos dados medidos neste trabalho associada a concepção do pavimentos permeáveis sugere
que a condutividade hidráulica da camada de revestimento seja elevada permitindo uma
recarga rápida do reservatório. Deste modo, adotou-se para as camadas do revestimento
condutividades hidráulicas maiores que a do solo natural como ponto de partida.
Tabela 7 – Parâmetros Hidráulicos das camadas do pavimento permeável
Camada θr θs α(cm-1
) n Ksat(cm/dia)
Revestimento 0,081 0,555 0,0441 1,5261 314,36
areia 0,0508 0,5442 0,05764 2,4905 314,36
brita 0,0339 0,43 0,0362 5,423 314,36
areia 0,0508 0,5442 0,05764 2,4905 314,36
solo natural 0,05357 0,53049 0,03 1,42472 77,68
O hydrus-1 D não prediz informações físico - hídricas para agregados graúdos como
brita, cascalho etc. Nesse contexto, adotou-se como camada referente a brita uma textura
100% arenosa com porosidade igual a das condições do experimento (η =0,43), porém
observou-se que apenas forçando a porosidade igual as condições de campo não seria
suficiente. Desta forma, aumentou-se o parâmetro de forma dessa camada no programa de
modo a criar artificialmente uma camada que representasse as características inerentes a uma
camada de reservatório.
Tanto no revestimento, quanto no solo natural, as umidades volumétricas residuais e
de saturação e as densidades foram modificadas inserindo as obtidas experimentalmente.
Condição de fronteira Superior
Para a condição de fronteira superior foram adotadas as condições atmosféricas com
precipitação no topo do perfil de solo com distribuição ao longo do tempo representado pelo
pluviograma referente ao dia 05/05/2011 já explicitado pela figura 56.
Condições iniciais:
Perfil de solo com 164 cm de espessura
Lençol freático na base do perfil.
Tempo de simulação de 1dia (1440 minutos).
100
A condição inicial adotada para a resolução da equação diferencial foi a seguinte (
Figura 77):
Figura 77- Condição inicial de potencial matricial adotada na simulação
Como resultados dessa análise, observou-se conforme Figura 78 que para o trecho
ascendente do potencial matricial no tocante a camada de revestimento não houveram
diferenças significativas para seus valores quando se promove uma reduções da condutividade
hidráulica da camada do subleito. Ou seja, o trecho ascendente dos potencias matriciais
independe da condutividade hidráulica saturada da base do pavimento quando varia-se o valor
desse parâmetro de 77,68 cm/dia a 9,71 cm/dia.
Em relação aos valores de pico do potencial matricial, a simulação demonstrou que
para a condutividade de 77,68 cm/dia obtêm-se o menor valor máximo quando comparado
com as outras condutividades avaliadas. Além disso, praticamente não existem diferenças
entre os valores máximo alcançados de potencial para as condutividades de 38,84 cm/dia,
19,42 cm/dia e 9, 71 cm/dia.
0
20
40
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100
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160
180
-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0
Pro
fundid
ade
(cm
)
potencial matricial
t=0
101
Figura 78- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada de revestimento
para diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do pavimento
Com relação ao topo do reservatório de brita ou base da camada de revestimento
(Figura 79) nota-se que após o início da precipitação ocorre um leve decréscimo dos
potenciais e decorridos cerca de 60 minutos os potenciais iniciam uma ascensão atingindo
ainda valores negativos ou de não saturação para o topo do reservatório quando se
considerada para valor de condutividade hidráulica 77,68 cm/dia. À medida que se diminui a
condutividade hidráulica verifica-se que os potencias para essa camada atingem valores
positivos com taxas de recessão proporcionais aos valores de condutividade adotadas para o
subleito.
-50
-40
-30
-20
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0
10
20
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Pote
nci
al m
atri
cial
(cm
H2O
)
Tempo (min)
Subleito Ksat=77,68 cm/dia
Subleito Ksat= 38,84 cm/dia
Subleito Ksat=19,42 cm/dia
Subleito Ksat= 9,71 cm/dia
102
Figura 79- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo do
reservatório com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do
pavimento
Para a base do reservatório (interface entre o fundo da camada e brita e o topo da
camada de areia) nota-se que antes de iniciar o trecho mais intenso da precipitação, ocorre
uma queda do potencial sendo esta mais brusca para o maior valor de condutividade
hidráulica de 77,68 cm/dia (Figura 80). Além disso, uma diminuição pela metade da
condutividade hidráulica (de 77,68 cm/dia para 38,84 cm/dia) ocasiona uma elevação do
potencial matricial nos caso dos valores de pico em mais que o dobro reforçando a influência
da condutividade desta camada na velocidade de ascensão dos níveis no pavimento.
O mesmo comportamento foi observado para o topo da camada do solo natural conforme
Figura 81.
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
0 200 400 600 800 1000 1200
Po
ten
cial
mat
rici
al (
cmH
20)
tempo (min)
Subleito Ksat=77,68 cm/dia
Subleito Ksat=38,84 cm/dia
Subleito Ksat= 19,42 cm/dia
Subleito Ksat= 9,71 cm/dia
103
Figura 80- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada da base do
reservatório diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do pavimento
Figura 81- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo do solo
natural com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do pavimento
Estudo de caso 1: Simulação do solo natural utilizando o Hydrus 1 D submetido a uma
chuva de projeto de tempos de retorno de 2, 5 e 10 anos.
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
0 200 400 600 800 1000 1200
Po
ten
cial
mat
rici
al (
cmH
20)
tempo (min)
Subleito Ksat= 77,68 cm/diaSubleito Ksat=38,84 cm/diaSubleito Ksat=19,42 cm/diaSubleito Ksat=9,71 cm/dia
-20
-10
0
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20
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40
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60
70
80
0 200 400 600 800 1000 1200
Pote
nci
al m
atri
cial
(cm
H20)
tempo (min)
Subleito Ksat =77,68 cm/diaSubleitol Ksat=38,84 cm/diaSubleitol Ksat=19,42 cm/dia
104
Com os dados da granulometria do solo natural, foram simulados utilizando o Hydrus-
1D, o escoamento superficial gerado para as condições naturais do solo situado no local onde
foi implantado o pavimento permeável. Ou seja, o objetivo das simulações do escoamento
gerado pelo solo natural é estimar a resposta do solo natural em situações anteriores a sua
atual ocupação, em nível de bacia hidrográfica seria uma estimativa das situações anteriores
ao desenvolvimento da bacia.
As condições de contorno superior do perfil do solo foram as condições atmosféricas
com a superfície do solo submetido as condições de precipitação pluviométrica, escoamento
superficial e evaporação a qual foi desconsiderada. As condições de contorno inferiores
adotadas foram o fluxo variável e outros casos umidade volumétrica constante ( Figura 82).
Figura 82- Esquema das condições de contorno adotada para essa simulação
Inicialmente, utilizou-se uma chuva de projeto seguindo a metodologia proposta pelo
Bureau Reclamation com tempo de retorno de 2 anos e duração de 30 minutos. A umidade
volumétrica inicial do perfil de solo considerada constante de 0 a 100 centímetros foi de 10%.
105
As condições de contorno superior e inferior do perfil do solo foram às condições
atmosféricas como o solo sujeito a precipitação pluviométrica e fluxo variável na base do
perfil do solo. Com as características supracitadas, e utilizando o bloco de precipitação
demonstrada pela Figura 83 o Hydrus- 1D forneceu como saída escoamento zero.
Figura 83- Chuva de projeto com duração de 30 minutos e tempo de retorno de 2, 5, 10 e 25
anos para a cidade do Recife.
Sendo assim, buscando uma resposta diferente de zero para o escoamento, foram
alteradas as condições iniciais de umidade volumétrica do perfil do solo, alterando-a de 10 %
para 30% em todo o perfil.
A Figura 84 ilustra a simulação do hidrograma de escoamento superficial gerado pelo
Hydrus 1- D. Observa-se que para uma precipitação com tempo de retorno de 2 anos, com
total precipitado de 36,97 mm com duração 30 minutos o Hydrus fornece um hidrograma com
um pico de 1,13 litros/min seguido de outro pico gerado pelo segundo maior bloco do
precipitação com valor de 0,9 litros/min para uma área igual a do pavimento permeável que
neste caso valhe 4,5 m². Além disso, observa- se que houve um retardamento no início do
escoamento de aproximadamente 8 minutos o que indica um bom desempenho do solo em
reter o escoamento refletindo as características da sua textura e estrutura porosa.
No tocante aos volumes, observa-se que uma precipitação com total precipitado de
36,97 mm em uma área de 4,5 m² corresponde a um volume precipitado de 166,38 litros, o
volume de escoamento superficial, dado pela área do hidrograma da figura 24 vale 1,98 litros
0
1
2
3
4
5
6
7
8
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30
Pre
cip
itaç
ão d
e p
roje
to(m
m)
Tempo(min)
chuva de projeto - Tr = 2 anos
chuva de projeto - Tr = 5 anos
chuva de projeto Tr = 10 anos
chuva de projeto Tr = 25 anos
106
resultando em um coeficiente de runnoff de aproximadamente 0, 019 para a superfície do solo
natural.
Esses pequenos valores de vazão gerado refletem tanto a baixa magnitude da
precipitação com tempo de retorno de 2 anos, assim como a baixa capacidade desse solo em
produzir escoamento, uma vez que o perfil é constituído de um solo como maior parte de sua
textura na fração areia, a qual possui como característica a presença de poros hidraulicamente
ativos fazendo com que a mesma quando saturada drene o volume precipitado com maior
rapidez.
Figura 84 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um solo
natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica inicial de
30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 2 anos.
Além disso, a Figura 85 ilustra a redistribuição da umidade no perfil de solo natural do
pavimento permeável. Observa-se que do instante inicial (t=0) a 5 minutos decorridos do
início da precipitação, a umidade volumétrica da superfície aumentou significativamente das
condições iniciais de 30% até valores próximos a umidade de saturação. Nota-se ainda que a
umidade volumétrica da superfície atinge o valor de saturação no instante correspondente ao
pico da precipitação, decaindo com o decréscimo de água na superfície através da queda da
intensidade de precipitação.
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30
0
5
10
15
20
25
300
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30P
reci
pit
ação
(mm
)
Esc
oam
ento
( litr
os/
min
)
Tempo(min)
Chuva de Projeto - Tr de 2 anos
Escoamento Superficial - Solo Natural - Tr 2 anos
107
Figura 85- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento permeável.
A Figura 86, ilustra o hidrograma simulado para o mesmo solo, com a condição de
umidade volumétrica inicial de 30%, alterando o tempo de retorno para 5 anos.Observa-se
inicialmente que o incremento no tempo de retorno da precipitação de 2 para 5 anos
ocasionou em um aumento no pico do hidrograma de 1,13 l/min para 2,55 litros/min, um
aumento de mais de 100% .Além disso, ocorre também uma ligeira antecipação no pico do
hidrograma de aproximadamente 0,5 minutos de um tempo de retorno de 2 para 5 anos.Um
incremento ainda maior é notado no cálculo do volume do escoamento superficial gerado,
passando de 1,98 litros para 7,24 litros.
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0,29 0,34 0,39 0,44 0,49 0,54
Per
fil d
e so
lo(c
m)
Umidade Volumétrica(cm³/cm³)
Condição inicial de umidade volumétrica(cm³/cm³)
Umidade volumétrica (cm³/cm³) t= 5 min
Umidade volumétrica (cm³/cm³). T= 10 min
Umidade Volumétrica (cm³/cm³). T= 30 min
Umidade volumétrica (cm³/cm³). T= 60 min
Umidade volumétrica.(cm³/cm³). T=15 min
108
Figura 86 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um solo
natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica inicial de
30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 5 anos.
Buscando obter informações sobre a redistribuição da umidade do solo, foram
plotados na Figura 87 os perfis de umidade volumétrica simulados para as durações de 5,10,
15, 30, 45.60 e 70 minutos, além do perfil referente as condições iniciais de umidade de
30%.O objetivo desta simulação é observar as condições de umidade da superfície do solo no
decorrer na precipitação e em instantes após o seu término.Observa-se que neste caso,
decorridos 40 minutos após o final da precipitação a umidade volumétrica da superfície e dos
primeiros 20 centímetros do perfil ainda são elevadas, indicando que uma precipitação
sucessiva, ou uma precipitação futura tenderá a produzir uma resposta do escoamento
superficial de maneira mais rápida.
2,5 7,5 12,5 17,5 22,5 27,5
0
5
10
15
20
25
30
35
400
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5
Pre
cipit
ação
(mm
)
Esc
oam
ento
(l/m
in)
Tempo(min)
Precipitação de Projeto -Tr 5 anos
Escoamento Superficial - Tr 5 anos
109
Figura 87- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento permeável.
Com a intenção de observar a resposta do modelo para eventos de precipitações mais
intensas que as anteriores, e até mesmo extrapolar notando a respostas de deflúvios
superficiais para tempos de retorno maiores que o limite recomendado para micro drenagem,
foram simulados os escoamentos gerados para chuvas de projeto de tempo de retorno de 10
anos a qual é o limite superior dos tempos de recorrência adotados para micro drenagem, além
disso, buscando uma extrapolação aumentou-se o tempo de retorno para 25 anos.Os
hidrogramas gerados para tempos de retorno de 10 anos e 25 anos respectivamente são
mostrados nas Figuras 88e 89 .
Atendendo as expectativas, notou-se que aumentos dos tempos de retorno resultaram
em elevação das vazões de pico dos hidrogramas bem como no incremento do tempo de base
do mesmo, o tempo para ascensão do hidrograma para ambos os tempos de retorno foram
muito semelhantes, não se notando diferença graficamente.
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0,29 0,315 0,34 0,365 0,39 0,415 0,44 0,465 0,49 0,515 0,54
Per
il de
solo
(cm
) Umidade volumétrica (cm³/cm³).
Umidade Volumétrica (cm³/cm³). Nacondição inicial de umidade.t=0Umidade Volumétrica. (cm³/cm³). T=5 min
Umidade volumétrica (cm³/cm³). T=10 min
Umidade volumétrica (cm³/cm³) t= 15 min
Umidade volumétrica (cm³/cm³). T= 30min
Umidade volumétrica (cm³/cm³). T=45 min
Umidade volumétrica(cm³/cm³) t= 60 min
Umidade volumétrica (cm³/cm³). T= 70 min
110
Figura 88- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um solo
natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica inicial de
30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 10 anos.
Figura 89- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um solo
natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica inicial de
30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 25 anos.
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
27,5
30
32,5
35
37,5
4000,25
0,50,75
11,25
1,51,75
22,25
2,52,75
33,25
3,53,75
44,25
4,54,75
5
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30
Pre
cipit
ação
(mm
)
Esc
oam
ento
( li
tros/
min
)
Tempo(min)
Chuva de Projeto - Tr de 10 anos
Escoamento - Tempo de Retorno 10 anos -Solo natural
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
5000,25
0,50,75
11,25
1,51,75
22,25
2,52,75
33,25
3,53,75
44,25
4,54,75
55,25
5,55,75
6
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30
Pre
cipit
ação
(m
m)
Esc
oam
ento
(lit
ros/
min
)
Tempo(min)
Chuva de projeto - Tr 25 anos
Escoamento superficial - Tr 25 anos
111
Uma vez simulados os escoamentos para vários tempos de retorno, buscou avaliar os
perfis de umidade resultante da infiltração gerada por precipitações com diferentes tempos de
retorno. A Figura 90 mostra que ocorre um leve incremento no perfil de umidade com o
aumento do tempo de retorno da precipitação. Como a taxa inicial de infiltração da superfície
é elevada e maior que a intensidade de precipitação mesmo para tempos de retorno elevados,
a mesma acaba governando a velocidade da redistribuição da umidade do solo porque a taxa
de infiltração seria igual nesses casos para os instantes inicias igual a intensidade de
precipitação, no entanto, como o movimento da água no interior do solo é lento, o ganho da
velocidade de redistribuição da água no solo quando se eleva o tempo de retorno não é
proporcional ou melhor não é tão grande quanto o incremento de intensidade de precipitação
quando também se eleva o tempo de recorrência. A tendência é que essa velocidade de
redistribuição tenda a uma valor constante limitado pela proporção de espaços vazios do solo.
Figura 90- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento permeável
para a duração de 15 minutos após o inicio da precipitação e tempos de retorno de 2 a 25
anos.
As vazões de pico obtidas através do modelo Hydrus-1D foram ajustadas em função
do tempo de retorno, obtendo boa correlação conforme Figura 91.
-22,5
-20
-17,5
-15
-12,5
-10
-7,5
-5
-2,5
0
0,3 0,325 0,35 0,375 0,4 0,425 0,45 0,475 0,5 0,525
Per
fil d
o s
olo
(cm
)
Umidade volumétrica(cm³/cm³)
Umidade volumétrica (cm³/cm³) .Duração 15 min e Tr 2 anos
Umidade volumetrica (cm³/cm³).Duração 15 min e Tr =5 anos
Umidade volumétrica (cm³/cm³). Duração 15 min e Tr = 10 anos
Umidade volumétrica (cm³/cm³).Duração 15 min e Tr= 25 anos
112
Figura 91- Ajuste das vazões de pico do hidrograma de escoamento superficial com os seus
respectivos tempos de retorno da precipitação de projeto.
Estudo de caso 2: Simulação do pavimento permeável utilizando o Hydrus 1-D
submetido a chuvas com intensidade constante para tempos de retorno de 5, 10 e 25 anos
considerando a camada do reservatório inicialmente cheia.
Para a simulação numérica do pavimento permeável foram concebidas no Hydrus 1-D
14 camadas, sendo que na verdade, apenas foram adicionadas 4 camadas ( revestimento, areia
grossa, reservatório de brita e areia grossa) com as características geométricas e
hidrodinâmicas reais as camadas do experimento, estas foram adicionadas ao solo natural
com as propriedades granulométricas referentes a Tabela 6 ou seja, com as mesmas
propriedades geométricas e hidráulico e hidrológicas do experimento.
A solução da equação de Richards requer a adoção de duas condições de contorno
(uma superior e outra inferior) além das condições iniciais de umidade.
As condições de contorno superior do perfil do solo foram as condições atmosféricas
com a superfície do solo submetido as condições de precipitação pluviométrica, escoamento
superficial e evaporação a qual foi desconsiderada uma vez que a escala (dimensão do
pavimento) é considerada pequena produzindo taxas pequenas de evapotranspiração.A
precipitação pluviométrica foi considerada com intensidade constante de precipitação para
tempos de retorno de 5,10 e 25 anos e duração de 30 minutos utilizando a equação i-d-f
proposta para o Recife por Azevedo e Ramos (2010).A condição de contorno inferior adotada
foi o fluxo variável .
y = 1,7038ln(x) - 0,1127R² = 0,9987
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Vaz
ão d
e P
ico(l
itro
s/m
in)
Tempo de Retorno
vazão de pico simulada (l/min)
113
Para a condição inicial, adotou-se o reservatório inicialmente cheio, ou seja, com o
conteúdo de água igual a porosidade da brita com valor de 43%.Para as camadas do subleito
foi adotada a umidade inicial de 30% para todo o perfil de solo natural.
A Figura 92 ilustra os hidrogramas de escoamento superficial simulados pelo Hydrus-
1D para incrementos de tempo de retorno. Observa-se que ocorre uma antecipação de início
do escoamento superficial com o incremento do tempo de retorno da precipitação, tal fato se
dá pela saturação da camada superficial do solo pelas precipitações com maior tempo de
recorrência, fazendo com que o ramo ascendente do hidrograma se desenvolva de maneira
mais rápida para essas precipitações.
Nota-se também que os hidrogramas apresentam formato aproximadamente
trapezoidal, e que ao atingir um patamar praticamente constante ocorre um leve pico da vazão
de escoamento para cada hidrograma, sendo que os picos ocorrem em todos os casos no final
do período de precipitação que no caso é igual a 30 minutos. Além disso, observa-se que o
aumento da magnitude da precipitação ocasiona um aumento vertical dos hidrogramas e que a
partir de um certo instante, praticamente não existe diferença entre os trechos de queda para
os hidrogramas com tempos de retorno de 10 e 25 anos.
Figura 92- Hidrogramas de escoamento superficial simulado pelo Hydrus 1-D para o
pavimento permeável submetido a precipitações pluviométricas de intensidade constante com
tempos de retorno de 5,10 e 25 anos.
0 2,5
5 7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
27,5
30
32,5
35
37,5
40
42,5
45
47,5
50
52,5
55
57,5
60
0
5
10
15
20
25
300
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Pre
cipit
ação
(mm
)
Esc
oam
ento
Super
fici
al (
litr
os/
min
)
Tempo(min)
Precipitação Tempo de Retorno5 anos
Precipitação Tempo de Retorno10 anos
Precipitação Tempo de Retorno25 anos
Escoamento Tempo de Retorno5 anos
Escoamento Tempo de Retorno10 anos
Escoamento Tempo de Retorno25 anos
114
No tocante aos volumes de escoamento superficial observa-se também um aumento
considerável uma vez que a área dos hidrogramas para tempo de retorno de 25 anos é maior
que a área do hidrograma para tempo de retorno de 10 anos a qual por sua vez é maior que
área do hidrograma para o tempo de retorno de 5 anos. Além disso, todos os hidrogramas
apresentam formas de decaimento praticamente linear, com o término do escoamento
praticamente igual para os hidrogramas com tempos de retorno de 10 e 25 anos.
9.0-CONCLUSÕES
Ao longo do período de monitoramento, o pavimento permeável apresentou elevadas
taxas de infiltração da camada de revestimento, resultando em respostas rápidas aos
incrementos de precipitação tendo como conseqüência elevadas taxas de ascensão do nível
para o reservatório (camada de brita).
Embora durante diversos eventos o pavimento permeável apresentasse
extravasamento, o solo da base apresentou elevados valores de fluxo do solo base do
pavimento (subleito) de modo que todo o reservatório conseguiu ser drenado em um período
de 24 horas, permanecendo com capacidade de drenagem suficiente para receber eventos
sucessivos.
A observação durante o período de monitoramento reforçou a necessidade de
manutenção desse tipo de pavimento permeável, uma vez que os eventos causaram à
deposição de sedimentos a jusante e diversas vezes foram necessárias a retirada da camada de
sedimentos para evitar riscos de colmatação já que para a execução deste trabalho a
observação do comportamento do experimento se deu em curto prazo, optou-se por não forçar
o funcionamento nas condições de superfície colmatada, em situações futuras, pretende-se
observar o comportamento do pavimento sobre estas condições e analisar as diferenças.
Mesmo sob a ação mecânica direta dos pneus dos veículos, não foi notada uma queda
da capacidade de infiltração da camada superficial do revestimento ao longo deste curto
período de monitoramento, o pavimento foi monitorado em condições reais de
funcionamento, sujeito a eventos naturais de precipitação pluviométrica e a ação de agentes
que tendem a prejudicar seu funcionamento hidráulico como folhas de árvores, sedimentos e
lixo e mesmo assim apresentou um padrão de funcionamento hidráulico. Acredita-se que as
atividades de manutenção e limpeza semanal da superfície tenham influenciado decisivamente
em seu bom desempenho.
115
A caracterização da camada do revestimento comprovou as suas elevadas taxas de
infiltração, os resultados obtidos através da metodologia Beerkan permitiram um melhor
detalhamento das propriedade dessa camada.
Com relação as simulações utilizando ao modelo Hydrus-1 D, a implementação dos
parâmetros mais precisos do solo obtidos com o uso da metodologia Beerkan e a análise de
sensibilidade dos demais parâmetros para se obter uma calibração mais próxima da realidade
deve melhorar o desempenho das simulações do nível d’água na camada de reservatório,
além disso, deve-se observar que a utilização do Hydrus 1-D buscar descrever o complexo
comportamento tridimensional do fenômeno de infiltração em uma escala unidimensional já
que o modelo descreve o movimento da água no solo resolvendo a equação de Richard para
uma coluna de solo, espera-se que a realização de testes com a versão bidimensional ou
tridimensional do modelo associada a um melhor detalhamento dos parâmetros do solo
conduzam a resultados mais rápidos uma vez que se conseguirá detalhar nos mesmos a
geometria tridimensional do dispositivo e heterogeneidade existente entre o solo da base e
das paredes do pavimento permeável.
10.0-RECOMENDAÇÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
A utilização de pavimentos permeáveis ainda é carente de informações referentes ao
seu desempenho mecânico. Além disso, para popularização dessa alternativa no meio técnico
informações referentes a aspectos de durabilidade do dispositivo devem ser contemplados nas
pesquisas as quais devem conciliar os fatores mecânicos da camada de revestimento e
geotécnicos da camada de base além dos critérios hidráulico- hidrológicos já difundidos.
A drenagem urbana convencional no Brasil não possui critérios normativos como os
utilizados para o dimensionamento de estruturas de concreto, e dimensionamento de tubos
pressurizados por exemplo. Nesse contexto, para racionalizar e popularizar a concepção
desses dispositivos sugere-se a implementação das metodologias de dimensionamento já
consagradas para dispositivos como trincheiras de infiltração, pavimentos permeáveis, valas
de detenção, etc junto a ABNT através de normas técnicas motivando assim um conjunto de
bons procedimentos para a utilização desses dispositivos em escalas maiores no cenário
nacional.
Recomenda-se que a caracterização da camada de revestimento seja realizada com
infiltrometro de anel simples diâmetro maior que o utilizado nessa pesquisa buscando dessa
116
forma uma resultado que reflita as características das partes vazadas e não vazadas do
revestimento.
O experimento executado para a realização desse trabalho ainda está em fase de
conclusão, uma vez que devem ser estudadas formas de medição do escoamento que se
adéqüem a estrutura já existente bem como a automatização de medição de outras variáveis
como a umidade ao longo do subleito além do monitoramento do nível do lençol freático para
avaliar questões relativas a vulnerabilidade do lençol de água subterrâneo.
117
10.0-REFERÊCIAS
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132
11-APÊNDICE
Figura A1- Nível diário x precipitação diária para o pavimento permeável no mês de junho de
2010.
Figura A2- Nível diário x precipitação diária para o pavimento permeável no mês de julho de
2010.
y = 0,1746x + 5,634
R² = 0,627
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
0 12,5 25 37,5 50 62,5 75 87,5 100 112,5 125 137,5 150 162,5
nív
el d
iári
o(c
m)
precipitação diária(mm)
junho
Linear (junho )
y = 0,5045x + 2,3747
R² = 0,8095
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30 32,5 35 37,5 40 42,5
nív
el d
iári
o (
cm)
precipitação(mm)
julho
Linear (julho )
133
Figura A3- Evolução do nível d’água no pavimento permeável ao longo do dia 26/06/2011
Figura A4- Evolução do nível d’água no pavimento permeável ao longo do dia 29/06/2011.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00
Nív
el (
cm)
tempo ( h:min)
0
5
10
15
20
25
30
35
0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00
Nív
el (
cm)
Tempo ( h: min)