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8/18/2019 Avaliação Experimental de Superfícies Na Redução Do Escoamento Superficial Direto
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Universidade Federal de Mato Grosso
Instituto de Ciências Exatas e da Terra
Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos
Avaliação Experimental de Superfícies na redução do Escoamento Superficial
Direto
Leandro Obadowiski Bruno
Cuiabá2011
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FICHA CATALOGR FICA
B898a Bruno, Leandro Obadowiski.Avaliação experimental de superfícies na redução do escoamento superficial
direto / Leandro Obadowiski Bruno. – 2011.xvi, 76 f. : il. color.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre Silveira.Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo Santos Silva Amorim.Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de
Ciências Exatas e da Terra, Pós-Graduação em Recursos Hídricos, 2011.
Bibliografia: p. 67-76.
1. Escoamento superficial – Engenharia hidráulica. 2. Pavimentos per-meáveis. 3. Solo gramado – Infiltração de água. 4. Solo exposto – Infiltração deágua. 5. Blocos de concreto – Infiltração de água. 6. Áreas urbanas – Tipos derevestimento. I. Título.
CDU – 626.86Ficha elaborada por: Rosângela Aparecida Vicente Söhn – CRB-1/931
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Leandro Obadowiski Bruno
Avaliação Experimental de Superfícies na redução do Escoamento SuperficialDireto
Dissertação apresentada ao programa de Pós-graduação
em Recursos Hídricos da Universidade Federal de Mato
Grosso, como requisito parcial para a obtenção do títulode Mestre em Recursos Hídricos.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre SilveiraCoorientador: Prof. Dr. Ricardo Santos Silva Amorim
Cuiabá2011
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Avaliação Experimental de Superfícies na redução do Escoamento SuperficialDireto
Leandro Obadowiski Bruno
Dissertação apresentada ao programa de Pós-graduação em Recursos Hídricosda Universidade Federal de Mato Grosso, como requisito parcial para a obtenção
do título de Mestre em Recursos Hídricos.
Aprovada por:
_______________________________Dr. Alexandre Silveira
(Orientador)
_______________________________Dr. Renato Blat Migliorini
(Examinador Interno)
_______________________________Dr. Alexandre Keppler
(Examinador Externo)
Cuiabá2011
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Aos meus pais
pelo apoio, educação
e exemplo de vida.
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AGRADECIMENTOS
Esse mestrado, como é comum das travessias, não seguiu pelos caminhos antes
planejados, mas me presenteou com dificuldades, desencontros, surpresas e novos rumos. A
grande dádiva desse trajeto foi revelada nos pequenos atos de sincera generosidade que tantas
pessoas me concederam. Se algum dia eu acreditei que tomar esse caminho havia sido uma
decisão só minha, hoje sei que essa possibilidade me foi doada por muitas pessoas que, cada
uma a seu modo, cuidam de mim, torcem por mim e confiam em mim. Agradeço:
Ao povo do Brasil, que por intermédio do seu governo, possibilitou o meu ingresso em
um curso de pós-graduação gratuito de qualidade, em uma instituição federal (UFMT),
recebendo ainda uma bolsa de mestrado fomentada pelo CNPq. Espero poder retribuir com o
trabalho todo este investimento;
Ao meu orientador, professor Alexandre Silveira, pelo acompanhamento do trabalho,
paciência, sugestões e encorajamento para o desenvolvimento de uma pesquisa de natureza
experimental, fatores essenciais para que eu pudesse chegar ao fim deste trabalho.
Ao professor Ricardo Santos Silva Amorim, pela disponibilização do simulador de
chuvas e outros materiais que possibilitaram a realização deste estudo. Pela forma atenciosa e
prestativa com que me atendeu durante todo o desenvolvimento do trabalho. Meus mais
sinceros agradecimentos.
Aos membros da banca, professor Alexandre Keppler e professor Renato Blat
Migliorini, pela disponibilidade em participar da defesa e pelas valiosas contribuiçõesconcedidas a este trabalho;
Ao amigo Bráulio pela ajuda essencial durante a parte experimental do trabalho.
Muitíssimo obrigado.
Aos amigos George, Cesar Destro, Felipe Dias, Jeferson Barison, Macus Guilherme e
Bruno Brum que, de alguma forma, participaram no desenvolvimento deste estudo;
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A prefeitura da UFMT pelo aporte logístico concedido a este trabalho na fase
experimental. Em especial ao mestre de obras Joel, pelo apoio durante a instalação das
parcelas experimentais e a todo o pessoal pelo auxílio prestado.
Ao Sr. José de Araújo, chefe do almoxarifado, pelo auxílio na preservação dos
materiais, principalmente pelas palavras de incentivo à nossa pesquisa e exemplo de
solidariedade;
À empresa Premoldar pela doação dos blocos utilizados nos experimentos realizados
neste trabalho, em especial ao Engenheiro Cleneo Rezende.
Não podia deixar de citar e agradecer a pessoas tão especiais para mim. Meus pais,
Arthur e Rosani, pelo carinho e confiança que sempre me dedicaram.
À Dona Mila, minha avó e segunda mãe, que contribuiu ativamente para o meu
desenvolvimento acadêmico e profissional.
Aos meus queridos irmãos, Bruna e Arthur, pela amizade e apoio durante todos estesanos.
A minha noiva Luciana, por estar presente em todos os momentos, sempre com amor e
compreensão;
À Deus, que por meio do seu amor, deu-me condições plenas e colocou todos estes já
citados em meu caminho.
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“ A natureza não é dotada de sentimentos ou de um pensamento lógico de vingança,
ela puramente opera leis naturais e procura equilibrar o ecossistema a fim de manter a vida.
Nós transformamos córregos e rios em avenidas e depois nos espantamos quando as avenidas
e ruas se transformam em córregos. Quem é o irracional ou ilógico nesta história?”
Marcus Vinícius Polignano
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RESUMO
BRUNO, L. O. (2011). Avaliação Experimental de Superfícies na redução do Escoamento
Superficial Direto. 78pág. Dissertação de Mestrado – Programa de pós-graduação em
Recursos Hídricos, Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá, 2011.
Este trabalho teve o intuito de avaliar e comparar a eficiência de cinco tipos de revestimentosutilizados em áreas urbanas: solo gramado, solo exposto, blocos de concreto vazados, blocos
de concreto maciços e concreto convencional de cimento na redução do escoamento
superficial. A pesquisa fundamentou-se em realização de testes experimentais, conduzidos nas
parcelas construídas em triplicata para cada tipo de superfície, sob as quais foram realizadas
chuvas com simulador calibrado às intensidades de precipitação de 79mm/h e 121mm/h.
Foram avaliados parâmetros hidrológicos por meio de balanço hídrico, tais como coeficiente
de escoamento superficial e taxa de infiltração estável, e ainda o controle de umidade inicialnas camadas de solo adjacentes aos revestimentos analisados. Das alternativas avaliadas, a
superfície com grama foi a que apresentou os melhores resultados. Verificou-se que para este
revestimento não houve a geração do escoamento superficial para alguns casos, mostrando o
potencial de superfícies cobertas com vegetação na redução do escoamento superficial. Por
outro lado, para a parcela com solo exposto, a geração de escoamento superficial foi bastante
superior à parcela com grama, com coeficiente de escoamento de até duas vezes maior. O
escoamento superficial verificado no concreto convencional foi na ordem de 90% do volume
precipitado, sendo 4,3 vezes maior do que o valor apresentado nos revestimentos de blocos de
concreto maciços. Os blocos de concreto vazados e blocos de concreto maciços foram
eficientes na redução do escoamento superficial corroborando com os valores apresentados na
literatura.
Palavras chave: Pavimentos permeáveis; Redução de escoamento superficial; simulação de
chuva.
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ABSTRACT
BRUNO, L. O. (2011). Experimental Evaluation of Five Types of surfaces to reduce runoff in
urban areas. 78pág. Dissertação (Mestrado) – Programa de pós-graduação em Recursos
Hídricos, Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá, 2011.
This work aimed to evaluate and compare the efficiency of five different coatings used inurban areas: lawn soil, bare soil, waterproof concrete lining, hollow concrete blocks and solid
concrete blocks used to reduce runoff. The research was based in experimental tests,
conducted in portions constructed in triplicate to each type of surface, under which they were
realized rains with a calibrated simulator at rain intensities of 79 mm/h and 121 mm/h. They
were evaluated hydrological parameters through water balance, such as runoff coefficient and
steady infiltration rate, and also the control of the initial moisture in the layers of soil adjacent
to the analyzed coatings. From the analyzed alternatives, the lawn soil showed the best results.It was verified that this coating did not generate the runoff for some cases, showing the
potential of surfaces covered with vegetation to reduce the runoff. On the other hand, the
portion with exposed soil generated a far superior runoff compared to the portion with lawn
soil, presenting a runoff coefficient twice higher. The runoff verified in the solid concrete
blocks was around 90% of the rainfall volume, four and a half times higher than the value
presented in the surfaces with hollow concrete blocks coatings. The waterproof concrete
lining and hollow concrete blocks were effective in reducing the runoff, corroborating with
the values presented in the literature.
Keywords: Porous pavements; runoff reduction; rain simulation.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................ 3
2.1 Crescimento urbano e seus impactos .................................................................................... 3
2.2 Efeitos da urbanização sobre o regime hídrico ........................................................... 4
2.3 Sistemas de drenagem urbana............................................................................................... 7
2.3.1 Classificação de medidas de controle ................................................................ 7
2.3.2 Princípios de planejamento da drenagem urbana .............................................. 8
2.3.3 Soluções alternativas ou compensatórias ........................................................ 10
2.4 Detenção na fonte ............................................................................................................... 14
2.4.1 Trincheiras de infiltração, poços de infiltração, planos de infiltração ............. 16
2.4.2 Superfícies permeáveis .................................................................................... 18
2.5 Considerações teóricas ............................................................................................. 22
2.5.1 Infiltração de água no solo............................................................................... 22
2.5.2 Modelos de Infiltração ..................................................................................... 24
2.5.3 Métodos para determinação da infiltração de água no solo............................. 25
2.5.4Simulador de chuvas ......................................................................................... 26
3. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 28
3.1 Objetivo geral ..................................................................................................................... 28
3.2 Objetivos específicos .......................................................................................................... 28
4. MATERIAL E MÉTODOS ................................................................................................ 29
4.1 Delineamento das superfícies estudadas............................................................................. 29
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4.2 Escolha do local de implantação da unidade experimental na área de estudo ................... 33
4.2.1 Ensaios preliminares de campo ....................................................................... 34
4.2.1.1 Análise granulométrica ..................................................................... 35
4.2.1.2 Ensaios de Infiltração em campo ...................................................... 36
4.3 Construção da unidade experimental .................................................................................. 38
4.3.1 Instalação dos blocos ....................................................................................................... 38
4.3.2 Delimitação da área efetiva de cada parcela ................................................................... 39
4.4 Calibração do equipamento simulador de chuvas .............................................................. 40
4.5 Realização dos testes .......................................................................................................... 42
5. RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSSÃO ..................................................................... 47
5.1 Análise granulométrica ....................................................................................................... 47
5.2 Teste preliminar de infiltração no solo para determinação da área de estudo .................... 48
5.3 Calibração do equipamento simulador de chuvas .............................................................. 49
5.4 Testes experimentais .................................................................................................. 49
5.4.1 Taxa de infiltração e tempo de empoçamento para os testes
experimentais realizados com intensidade de precipitação de 79mm/h.......................... 48
5.4.2 Escoamento superficial e coeficiente de escoamento para os
testes experimentais realizados com intensidade de precipitação de 79mm/h ................ 54
5.4.3 Taxa de infiltração e tempo de empoçamento para os testes
experimentais realizados com intensidade de precipitação de 129mm/h........................ 55
5.4.4 Escoamento superficial e coeficiente de escoamento para os
testes experimentais realizados com intensidade de precipitação
de 79mm/h e 129mm/h ................................................................................................... 59
5.4.5Análise estatística ............................................................................................................. 62
6. CONCLUSÕES ................................................................................................................... 66
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7. RECOMENDAÇÕES ......................................................................................................... 68
8. REFERÊNCIASBIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 69
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SUMÁRIO DE FIGURAS
Figura 2.1 – Impactos da urbanização no hidrograma de cheia para rios em áreas urbanas e
não urbanizadas. Fonte: Vaz Curvo e Carneiro (2000) ............................................................... 5
Figura 2.2 – Relação entre % de área urbanizada e % de área servida por drenagem, no
aumento da vazão máxima. Fonte: Leopold (1965) apud Tucci e Genz (1995) ........................ 6
Figura 2.3 – Trincheira pronta para o monitoramento. Fonte: Lima (2009) ............................ 15
Figura 2.4 – Trincheira de infiltração de Schueler, segundo Cruz, Araujo e Souza (1999) ..... 17Figura 2.5 – Plano de infiltração. Fonte: Milograma (2001) .................................................... 18
Figura 2.6 – Superfície de blocos vazados utilizada na Universidade Federal de
Mato Grosso ............................................................................................................................ 19
Figura 2.7 – Pavimento permeável. Fonte: Urbonas e Stahre (1993)....................................... 20
Figura 2.8 – Curva representativa da capacidade de infiltração e da taxa de
Infiltração em função do tempo sob condições de precipitação constante ............................... 24
Figura 4.1 – Superfícies construídas ........................................................................................ 31
Figura 4.2 – Layout do projeto de locação das parcelas experimentais ................................... 32
Figura 4.3 – Desenho esquemático da parcela experimental.................................................... 33
Figura 4.4 – Local escolhido para a instalação da unidade experimental ................................ 34
Figura 4.5 – Instalação do material utilizado no teste preliminar de infiltração ...................... 37
Figura 4.6 – Ensaio de infiltração ............................................................................................. 38
Figura 4.7 – Instalação dos revestimentos estudados ............................................................... 39
Figura 4.8 – Desenho esquemático do quadro metálico, utilizado para delimitar a
área efetiva das superfícies estudadas ...................................................................................... 40
Figura 4.9 – Simulador de chuvas utilizado no experimento ................................................... 41
Figura 4.10 – Detalhe dos obturadores e do manômetro do simulador de chuvas ................... 42
Figura 4.11 – Teste de uniformidade ........................................................................................ 43
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Figura 4.12 – Simulador de chuvas em funcionamento ........................................................... 43
Figura 5.1 – Curva granulométrica para o solo da área em estudo .......................................... 47
Figura 5.2 – Taxa de infiltração para os pontos A1, A2 e A3 ..................................................... 48
Figura 5.3 – Taxa de infiltração (Ti) obtida experimentalmente e a partir do ajuste
da equação de Horton aos dados experimentais para os cinco revestimentos estudados
utilizando-se intensidade de precipitação de 79mm/h .............................................................. 50
Figura 5.4 – Taxa de infiltração (Ti) obtida experimentalmente e a partir do ajuste
da equação de Horton aos dados experimentais para os cinco revestimentos estudados
utilizando-se intensidade de precipitação de 121mm/h ............................................................ 56
Figura 5.5 – Coeficiente de escoamento dos revestimentos estudados .................................... 61
Figura 5.6 – Nível de significância da umidade inicial (%) dos tratamentos analisados ......... 63
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SUMÁRIO DE TABELAS
Tabela 2.1 – Categoria de medidas não estruturais. Fonte: Prosab (2009) ............................... 08
Tabela 4.1 – Tipos de superfícies analisadas ............................................................................ 44
Tabela 5.1 – Valores de umidade inicial do solo (%) verificados nos testes realizados
Com intensidades de precipitação de 79mm/h ......................................................................... 50
Tabela 5.2 – Valores ajustados aos dados experimentais e os respectivos Coeficientes
de Determinação obtidos .......................................................................................................... 51
Tabela 5.3 – Valores da taxa de infiltração estável (Tie) no que confere ao tempo de
Obtenção da (Tie) e tempo de empoçamento (tp) observados nos ensaios de infiltração ........ 52
Tabela 5.4 – Valores de volume precipitado e escoado, e ainda os coeficientes de
Escoamento superficial ............................................................................................................. 54
Tabela 5.5 – Valores de umidade inicial do solo (%) verificados nos testes realizados
Com intensidades de precipitação de 121mm/h ....................................................................... 56
Tabela 5.6 – Valores ajustados aos dados experimentais e os respectivos Coeficientes
de Determinação obtidos .......................................................................................................... 57
Tabela 5.7 – Valores da taxa de infiltração estável (Tie) no que confere ao tempo de
Obtenção da (Tie) e tempo de empoçamento (tp) observados nos ensaios de infiltração ........ 58
Tabela 5.8 – Valores de volume precipitado e escoado, e ainda os coeficientes de
Escoamento superficial ............................................................................................................. 60
Tabela 5.9 – Valores médios da taxa de infiltração estável (mm/h), tempo de
Empoçamento (min.) e coeficiente de escoamento sob diferentes intensidades de
Precipitação simulada ............................................................................................................... 64
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LISTA DE SÍMBOLOS
Cesc Coeficiente de escoamento
CUC Coeficiente de uniformidade de Christiansen
CI Capacidade de infiltração
i Taxa de infiltração no solo
capacidade de infiltração final capacidade de infiltração inicial
ip Regime de precipitação constante condutividade hidráulica do solo para um dado teor de umidade constante que representa a taxa de decréscimo na capacidade de infiltraçãol Infiltração acumulada
massa dos sólidos< porcentagem de solo em suspensão no momento da leitura,Ρs massa específica dos sólidos
leitura do densímetro na proveta contendo suspensão de soloR² Coeficiente de determinação
leitura do densímetro na proveta contendo água e defloculantet Tempo
tp Tempo de empoçamento
Ti Taxa de infiltração
Tie Taxa de infiltração estável
potencial matricial da água no solo potencial gravitacional da água no solo diâmetro equivalente da partículaµ viscosidade absoluta
ρs massa específica dos sólidosρw massa específica da água distância entre o centro de volume do bulvo do densímetro e a superfície
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1. INTRODUÇÃO
O Brasil e os demais países em desenvolvimento têm apresentado elevadas taxas de
crescimento urbano nas últimas décadas. Este fenômeno tem ocasionado mudanças
significativas no ambiente, contribuindo para o comprometimento da qualidade de vida de
seus habitantes. Tal situação tem sido provocada, entre outros, pela impermeabilização do
solo urbano, adensamento populacional em áreas impróprias para ocupação, disposição
inadequada de resíduos sólidos e descargas de esgoto doméstico sem tratamento nos
mananciais urbanos e rurais.
O aumento da população nas cidades deveria ser acompanhado pelo planejamento
urbano e crescimento de infra-estrutura. No entanto, o modelo de ocupação vigente na maioria
das cidades brasileiras é resultante de um processo impensado e inadequado. Um dos
problemas gerados pelo crescimento das áreas urbanas é a impermeabilização do solo e o
consequente aumento do escoamento superficial.
A urbanização implica na transformação da cobertura natural do solo através da
sobreposição de telhados, calçamentos e pavimentação asfáltica. Essas estruturas impedem
que a água das chuvas alcancem o solo, tendo como resultado o seu deslocamento para locais
adjacentes, favorecendo alterações nas fases do ciclo hidrológico. Dessa maneira, a
urbanização é responsável por alterações que resultam no aumento da frequência e magnitude
das cheias dos rios urbanos, na redução da recarga dos aquíferos além do aumento da
velocidade de escoamento superficial durante os eventos de cheia.
Tradicionalmente, os projetos e, consequentemente, dispositivos utilizados para a
solução dos problemas de drenagem das águas pluviais são voltados para a canalização do
escoamento. Os exemplos mais comuns consistem na construção de galerias subterrâneas e na
retificação dos córregos urbanos. Muitas vezes, estas medidas tornam-se ineficazes eineficientes (Schluter; Jefferies, 2004). Além disso, os custos das canalizações são muito
altos, muitas vezes impraticáveis em virtude da carência financeira dos municípios.
Experiências práticas comprovam que estes sistemas não são sustentáveis (Scholz,
2006). Primeiro, por conduzirem o volume escoado para outras bacias, o que não resolve
definitivamente o problema das enchentes. E depois, por sua limitada capacidade em
transferir os volumes precipitados, face ao incremento do escoamento superficial, ocasionado
pela crescente urbanização. Nesse sentido, estudos recentes (Collins et al., 2006; Sansalone et al., 2008; Wanphen,
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Nagano, 2009) indicam que uma nova abordagem com relação ao gerenciamento de águas
pluviais em ambientes urbanos vem se consolidando. Dessa forma, conceitos recentes
relacionados ao desenvolvimento de sistemas de drenagem urbana sustentáveis e o uso das
chamadas soluções alternativas ou técnicas compensatórias de drenagem são destacadas.
Soluções alternativas são aquelas que se opõem ao conceito de evacuação rápida,
proposta pelo modelo tradicional de drenagem. Seu objetivo se concentra no controle do
escoamento, promovendo o retardamento e a infiltração das águas pluviais. O termo solução
compensatória também é freqüentemente utilizado na literatura especializada em função do
efeito compensador das soluções sobre os impactos causados pela urbanização nos processos
hidrológicos.
Dentre os dispositivos que podem reduzir o escoamento superficial na fonte estão assuperfícies permeáveis. Urbonas e Stahre (1993) definem as superfícies permeáveis em
dispositivos de infiltração onde o escoamento superficial é desviado através de uma superfície
permeável, para onde infiltra através do solo, podendo sofrer evaporação ou atingir o
aquífero.
Para que as superfícies permeáveis possam ser utilizadas em ambientes urbanos como
alternativa para o controle do escoamento superficial, o seu comportamento deve ser
estudado. Nascimento et. al., (1997) ressalta que a eficiência dessas soluções estácondicionada às características locais como tipo de solo, regime de precipitações, topografia,
qualidade das águas de drenagem, dentre outros. Por esta razão, não é possível simplesmente
adotar os resultados encontrados por outros pesquisadores, e sim, há a necessidade de se
experimentar o comportamento desses dispositivos para cada região, de forma a obter
resultados que comprovem a aplicabilidade das soluções para um panorama local.
Neste contexto, o presente trabalho teve o intuito de avaliar e comparar a eficiência de
cinco tipos de revestimentos utilizados em áreas urbanas: solo gramado, solo exposto,superfície de concreto convencional, superfície de blocos de concreto vazados e superfície de
blocos de concreto maciços na redução do escoamento superficial na fonte. A pesquisa
envolveu a realização de testes experimentais, conduzidos em parcelas construídas em
triplicata para cada tipo de superfície, sob os quais foram realizadas chuvas artificiais com
simulador.
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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Crescimento urbano e seus impactos
A população mundial cresceu muito rapidamente nas ultimas décadas, tendo ocorrido
uma grande concentração de pessoas nas áreas urbanas. Segundo Mota (2003), o Brasil seguiu
esse fenômeno, o qual tornou-se mais acentuado no século XX. Entre os anos de 1970 e 1980
o crescimento numérico da população urbana já ultrapassava a população rural. Essa
tendência de crescimento urbano tem se mostrado fator determinante na deterioração da
qualidade de vida de seus habitantes e do ambiente.
O aumento da população urbana deveria ser acompanhado da modernização ecrescimento de toda infra-estrutura. Porém, o desenvolvimento urbano tem ocorrido de
diferentes maneiras ao longo do tempo, geralmente de forma descontrolada e sem
planejamento. Para Mota (1999), as consequências desse processo inadequado de crescimento
foram várias, dentre elas: falta de condições sanitárias mínimas em muitas áreas, ausência de
serviços indispensáveis à vida das pessoas nas cidades, destruição de recursos de valor
ecológico, poluição do meio ambiente, condições precárias de habitação, entre outros.
A questão da ocorrência de enchentes urbanas e suas consequências tanto sociaisquanto ambientais também são resultados dessa problemática. A urbanização implica na
transformação da cobertura natural do solo, onde geralmente são implantadas estruturas e
edificações construídas, quase que totalmente, por materiais impermeáveis. Tais estruturas
impedem que a água das chuvas alcancem o solo, fazendo com que o volume de água se
desloque para locais adjacentes, resultando em alterações drásticas nas fases do ciclo
hidrológico natural.
Em relação aos mananciais superficiais e subterrâneos, o desenvolvimento das cidadesnão apresenta efeitos menos intensos, alterando a disponibilidade de água local, tanto em
quantidade como em qualidade. O crescimento urbano desordenado sobre os rios utilizados
para o abastecimento público tem apresentado graves reflexos na qualidade das águas, como
altos custos econômicos e sociais, tornando a disponibilidade hídrica um limitante para o
próprio desenvolvimento das cidades (Andreoli et al., 2000a; Andreoli et al., 2000b). Segundo
esses autores, a demanda por água potável nos centros urbanos tem aumentado em função do
crescimento populacional e da elevação do consumo per capita.
A ocupação impensada nos centros urbanos não gera apenas problemas ambientais,
mas também problemas de ordem social, dentre os quais destacam-se a marginalização,
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exclusão social, surgimento de favelas, loteamentos clandestinos, aumento da criminalidade e
desemprego.
De acordo com Maricato (2000), o fator responsável pela configuração da realidade
urbana atual das cidades brasileiras não foi apenas a falta de planejamento, mas sim a falta da
participação popular acrescido ao fato do distanciamento entre a teoria do planejamento e a
intervenção prática na construção do ambiente urbano.
2.2 Efeitos da urbanização sobre o regime hídrico
Do ponto de vista da hidrologia, a urbanização é responsável por alterações queresultam no aumento da freqüência e magnitude das cheias dos rios urbanos, na redução da
recarga dos aqüíferos e no aumento da velocidade de escoamento durante os eventos de cheia.
Tucci (1995) observa que estes efeitos derivam diretamente da compactação do solo e de sua
impermeabilização, através da sobreposição de telhados, ruas calçadas, pavimentos asfálticos
e de concreto.
Na medida em que os padrões de uso e ocupação do solo promovem a
impermeabilização da área de drenagem pluvial, a parcela da água que antes infiltrava no solo passa a escoar superficialmente atingindo os condutos de drenagem, aumentando o
escoamento superficial e reduzindo o tempo de concentração da bacia hidrográfica (Andreoli;
Carneiro, 2005). Para o autor, o volume que escoava lentamente pela superfície do solo e
ficava retido pela vegetação, passa a escoar no canal, exigindo maior capacidade das seções
transversais dos cursos d’água. Um hidrograma hipotético típico de uma bacia natural e
aquele resultante da urbanização são apresentados na Figura 2.1.
Diferentes trabalhos e estudos desenvolvidos em bacias urbanas do mundo tododemonstram que a ocupação urbana de forma não planejada tende a elevar as vazões
máximas.
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Figura 2.1 – Impacto da urbanização no hidrograma de cheia para rios em áreas urbanizadas e
não urbanizadas. Fonte: Vaz Filho e Carneiro (2000).
Conforme Hall (1986), o aumento da população e o consequente processo de
urbanização levam a uma maior procura por recursos naturais, entre eles a água é o mais
importante. Essa realidade é responsável por gerar graves problemas aos recursos hídricos.
Além disso, o lançamento de dejetos e resíduos sólidos nos corpos d’água gera poluição e
degradação da rede hidrográfica local.
Dentre os diversos efeitos da urbanização, segundo Tucci (2003a), citam-se:
Redução do volume de infiltração; Aumento do escoamento superficial;
Redução do nível freático, reduzindo o escoamento subterrâneo;
Devido à substituição da cobertura vegetal ocorre uma redução da evapotranspiração.
As enchentes ampliadas pela urbanização, em geral, ocorrem em bacias de pequeno
porte. Evidentemente, as exceções são as grandes regiões metropolitanas, como São Paulo,
onde o problema abrange cerca de 800km² (Tucci, 1995).
Para as grandes bacias, existe um efeito combinado em relação ao escoamento nos
vários canais da macrodrenagem, que são influenciados pela distribuição espacial e temporal
das precipitações máximas (Bollmann, 2003). Para os casos extremos, verifica-se que o pico
da cheia numa bacia urbanizada pode chegar até 6 vezes maior que o pico desta mesma bacia
em condições normais. A Figura 2.2, proposta por Leopold (1965) apud Tucci e Genz (1995),
é o gráfico resultante desta situação, onde a urbanização é expressa por impermeabilidade da
bacia e da porcentagem da área com condutos.
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Figura 2.2 – Relação entre % de área urbanizada e % de área servida por drenagem, no
aumento da vazão máxima. Fonte: Leopold (1965) apud Tucci e Genz (1995).
Outra consequência do desenvolvimento urbano em relação aos pequenos rios urbanos
tem sido a redução da vazão no período de estiagem. Com o aumento do escoamentosuperficial devido à impermeabilização, os aquíferos não são abastecidos, e a vazão do rio é
reduzida. O escoamento, muitas vezes, é devido aos esgotos lançados in natura ou por meio
de ligações clandestinas de esgotos na drenagem pluvial (Tucci, 1995).
Tucci (2003a) informa que em precipitações intensas a quantidade de água que escoa
para o rio pode ser superior a sua capacidade de drenagem, resultando em inundações das
áreas ribeirinhas. Além dos prejuízos econômicos, que segundo Tucci (2003a), somaram 3
bilhões de dólares no inicio dos anos 80 nos Estados Unidos, as inundações tambémfavorecem a proliferação de doenças de veiculação hídrica, como a gastrointerite, cólera,
febre tifóide, hepatite A, hepatite E, leptospirose, e outras.
A solução adotada pela maioria das cidades brasileiras para o problema das inundações
localizadas é a canalização do rio principal. Essa canalização faz com que os impactos das
cheias, que antes ficavam localizados na montante da bacia, sejam transferidos para a jusante.
Como geralmente a jusante da bacia já existe ocupação próxima as margens dos rios, a única
solução é o aprofundamento da seção do rio a custos altíssimos para a sociedade (Tucci;
Genz, 1995).
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2.3 Sistemas de drenagem urbana
2.3.1 Classificação das medidas de controle
Os sistemas de drenagem urbana podem ser classificados de acordo com uma série de
critérios, tais como: natureza do controle, abrangência espacial, atuação sobre o ciclo
hidrológico, e outros.
Quanto à natureza do controle, costuma-se dividir os sistemas de drenagem urbana em
estruturais e não estruturais. As primeiras tem caráter corretivos, caracterizadas pela
construção de obras hidráulicas (Sefione, 1998). As ultimas são aquelas em que os prejuízos
são reduzidos pela melhor convivência da população com as enchentes (Tucci, 2003b).As medidas estruturais, segundo Tucci e Genz (1995), podem ser classificadas de
acordo com a área de abrangência, em:
Medidas distribuídas ou na fonte: medidas que atuam sobre o lote, praças e passeios,
aumentando áreas de infiltração e percolação, e/ou medidas de armazenamento
temporário de água de chuva em reservatórios residenciais ou de telhados;
Medidas na microdrenagem: controle que age sobre um ou mais loteamentos.
Utilizam-se para esse fim dispositivos de amortecimento do volume gerado peloloteamento, como tanques, lagos e pequenos reservatórios abertos ou subterrâneos;
Medidas na macrodrenagem: esse tipo de controle utiliza medidas estruturais para
modificar rios e riachos urbanos.
Com relação aos sistemas não estruturais, Prosab (2009) destaca que esta categoria se
utiliza de meios naturais para reduzir a geração do escoamento e a carga poluidora; não
contempla obras civis, mas envolve ações de cunho social para modificar padrões de
comportamento da população, tais como meios legais, sanções econômicas e programas
educacionais; são denominados sistemas de controle na fonte, pois atuam no local próximo
das fontes de escoamento, estabelecendo critérios de controle do uso e ocupação do solo
nessas áreas. As medidas não estruturais de controle do escoamento na fonte podem ser
agrupadas em categorias, conforme mostra a Tabela 2.1.
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Tabela 2.1 – Categoria de medidas não estruturais.
Principais Categorias Medidas não Estruturais
Educação pública Educação pública e disseminação do conhecimento
Equipe técnica capacitada
Superfícies com vegetação
Planejamento e manejo de água Áreas impermeáveis desconectadas
Telhados verdes
Urbanização de pequeno impacto
Uso de materiais e produtos químicos Uso de produtos alternativos não poluentes
Práticas de manuseio e de armazenamento adequadas
Manutenção dos dispositivosde infiltração nas vias
Varrição de ruas
Coletas de resíduos sólidosLimpeza dos sistemas de filtração
Manutenção das vias e dos dispositivos
Manutenção dos canais e cursos d’água
Medidas de prevenção contra a conexão ilegal
Fiscalização: detecção, retirada e multa
Controle de conexão ilegal de esgoto Controle do sistema de coleta de esgoto e de tanquessépticos
Jardinagem e lavagem de veículos
Reuso da água pluvial Sistema predialFontes e lagos
Fonte: Prosab (2009)
2.3.2 Princípios de planejamento da drenagem urbana
De modo a minimizar os efeitos da urbanização sobre o ciclo hidrológico, a
engenharia faz uso do planejamento dos sistemas de drenagem urbana e de medidas de
controle, que podem atuar em diversas escalas espaciais.
Os sistemas tradicionais de drenagem urbana são constituídos, tipicamente, pela rede
de transporte de escoamento. As soluções mais empregadas consistem na construção de
galerias e condutos subterrâneos, obras consideradas hidraulicamente eficientes no sentido de
transportar rapidamente os excessos de água para jusante (Silva, 2006).
Entretanto, a experiência com a utilização desse tipo de solução mostrou sérias
limitações. Observou-se que promover o transporte rápido do escoamento em meio à
crescente impermeabilização do espaço urbano apenas contribuía para o aumento da
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ocorrência de inundações à jusante das áreas drenadas e para o transporte da poluição
proveniente de fontes não pontuais para os corpos receptores, mesmo durante eventos mais
frequentes (Wright; Heaney, 2001). Além disso, com a continuidade da urbanização, a
obsolescência das soluções era inevitável, exigindo a implantação e reestruturação periódica
dos sistemas, gerando altos custos para os municípios.
Cruz et al., (1998) criticam a prática atual de projetos de drenagem pluvial, que é de
transportar para a jusante todo o excesso de água gerado pela impermeabilização. Dessa
forma, à medida que o escoamento se desloca para jusante, é acrescido de novos aumentos de
volume devido à urbanização, resultando em acréscimos significativos na vazão máxima.
Neste contexto, a ineficiência dos sistemas convencionais em controlar as inundações,
aliadas à necessidade de soluções adaptadas para o contexto crescente de preservaçãoambiental evidenciaram as limitações do uso das soluções clássicas, levando ao
questionamento sobre a continuidade da sua utilização e difusão (Silva, 2006).
Enquanto os sistemas tradicionais visam a evacuação rápida das águas pluviais para
jusante, os dispositivos de controle na fonte, isto é, dispositivos alternativos de drenagem
urbana, procuram reduzir e retardar escoamentos urbanos (Suderhsa, 2000). Silveira (1998)
comenta que esta abordagem, voltada para o uso de soluções alternativas para drenagem de
águas pluviais em meio urbano é mais complexa, pois depende fortemente das condiçõeslocais. Além disso, maiores investimento iniciais são requeridos. Por outro lado, apresenta
menos custo global, já que trabalha com a prevenção dos problemas. Com relação às
condições locais, Nascimento et al., (1997) destacam fatores tais como tipo de solo, as águas
subterrâneas, o regime de precipitações, a qualidade das águas de drenagem, a topografia e
outros.
Essas soluções procuram atuar sobre o ciclo hidrológico, recompondo os processos
naturais modificados pela urbanização.Segundo Tucci e Genz (1995), para o bom desenvolvimento de um programa
consistente de drenagem urbana, é necessário que se conheçam e se apliquem os princípios de
controle. Dentre eles, merecem destaque:
Bacia com sistema: o controle deve ser exercido na bacia hidrográfica urbana e não
em pontos isolados (Tucci, 1997), o que implica em que os impactos não podem ser
transferidos (Tucci e Genz, 1995);
Avaliação dos cenários futuros: o controle deve ser feito tomando-se por base os
cenários futuros de ocupação e desenvolvimento da bacia (Tucci, 1997), sendo que
esta previsão futura deverá ser baseada no Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano;
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Plano Diretor : o controle deve ser estabelecido através do Plano Diretor de Drenagem
Urbana, administrado pelos municípios com o apoio técnico do estado (Tucci, 1997),
contemplando o Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano, as Legislações
Municipais e Estadual (Tucci e Genz, 1995);
Não ampliação da cheia natural: nenhum usuário urbano pode ampliar a cheia natural
(Tucci e Genz, 1995).
Controle permanente;
Educação Ambiental;
2.3.3 Soluções alternativas ou compensatórias
Soluções alternativas são aquelas que se opõem ao conceito de evacuação rápida,
proposta pelo modelo tradicional de drenagem. Seu objetivo se concentra no controle do
escoamento, promovendo o retardamento e a infiltração das águas pluviais. O termo solução
compensatória também é frequentemente utilizado na literatura especializada em função do
efeito compensador das soluções sobre os impactos causados pela urbanização nos processos
hidrológicos.A aplicação de soluções alternativas para a drenagem urbana e disposição de águas
pluviais em áreas urbanas tem sido mencionada na literatura há mais de 20 anos. Essas
soluções são inseridas com frequência no contexto das BMPs (Best Management Practice). O
conceito de BMP surgiu nos Estados Unidos, abrangendo uma série de medidas voltadas,
dentre outros aspectos, para o controle do escoamento em ambientes urbanos (D’arcy; Frost,
2001).
A difusão e o uso dessas medidas ocorrem, inicialmente, nos países desenvolvidos,face à necessidade de reduzir a poluição difusa devido à urbanização e atividades agrícolas,
atenuar os picos do escoamento superficial e diminuir os riscos e impactos causados ao
ambiente por trasbordamentos (overflows) em sistemas unitários durante períodos chuvosos
(Ice, 2004).
Mais recentemente, aplicações de soluções alternativas têm sido frequentemente
reportadas no contexto da urbanização de baixo impacto (LID – Low Impact Development ),
que fazem parte de uma linha de estudos urbanísticos. Com relação à hidrologia, essa
abordagem propõe combinar projetos localizados com funções hidrológicas e medidas de
prevenção da poluição para compensar os impactos da urbanização sobre a quantidade e
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escoamento superficial e à redução da poluição difusa. Nesse sentido, elas são tidas como
inovações promissoras com relação ao gerenciamento das águas pluviais em meio urbano por
acumular a dupla função de proteção contra inundação e manutenção da qualidade dos corpos
receptores de forma integrada (Roesner et al., 2001).
A utilização de soluções alternativas também pode favorecer a permanência da água
pluvial por maior tempo nos centros urbanos. Com isso, a possibilidade de integração dessas
soluções a outros usos, servindo, por exemplo, como áreas verdes e de recreação, pode
contribuir para maior valorização da água no meio urbano, adicionando valor estético à cidade
(Niemczynowicz,1999).
As vantagens em se utilizar o enfoque compensatório dependem do tipo de solução
adotada, assim como da escala de utilização. De forma geral, podem ser destacadas (Urbonas;Stahre, 1993):
diminuição do risco de inundação e contribuição para a melhoria da qualidade da água
no meio urbano;
redução ou mesmo eliminação da rede de microdrenagem local;
minimização das intervenções à jusante de novas áreas loteadas;
boa integração com o espaço urbano e possibilidade de valorização da água no meio
urbano, através de áreas verdes, área de lazer, e outros; aumento da recarga de água subterrânea, normalmente reduzida em razão da
impermeabilização de superfícies, com conseqüente manutenção da vazão de base dos
pequenos rios urbanos;
baixos custos de implantação.
Segundo esses autores, dentre as desvantagens na aplicação desse procedimento
podem-se destacar: preocupação com manutenção frequente, a fim de se evitar a perda de desempenho e
aumentar a vida útil;
utilização de tecnologias condicionadas a características de solo (tipo, uso e
ocupação, topografia);
aplicação recente, resultando na falta de padrões de projeto e na escassez de
informações a respeito do seu funcionamento a longo prazo;
risco de contaminação do solo e aquífero.
As medidas alternativas podem ser classificadas a partir de diferentes critérios
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conforme, por exemplo, a escala de atuação ou tipo de ação sobre os processos hidrológicos.
Nesse sentido, elas podem ser divididas em soluções distribuídas ou concentradas, ou
soluções de infiltração ou detenção.
As medidas de controle distribuídas, ou de controle na fonte, atuam sobre pequenas
áreas e, portanto, são aplicadas de forma difusa na bacia hidrográfica. As soluções
concentradas promovem o controle sobre todo o escoamento proveniente de uma área de
contribuição, atuando no hidrograma resultante de um ou mais loteamentos, ou no nível da
macrodrenagem (Urbonas; Stahre, 1993).
Com relação à ação sobre os processos hidrológicos, as técnicas alternativas podem
atuar na redução dos volumes ou da vazão. No primeiro caso, estão inseridas as soluções que
promovem a infiltração e percolação do escoamento, enquanto que no segundo caso, astécnicas trabalham com o conceito de armazenamento, de forma a deter o escoamento por um
período de tempo para liberá-lo posteriormente. Essas últimas também podem promover a
infiltração e percolação embora esse não seja seu objetivo primordial.
As estruturas alternativas podem atuar, também, de forma combinada (armazenamento
e infiltração). Segundo Souza (2002), esse tipo de arranjo é utilizado, normalmente, para se
obter um tratamento preliminar da água de escoamento antes da sua infiltração. Os
dispositivos de detenção promovem um pré-tratamento por meio da deposição de grande parteda matéria em suspensão, reduzindo a quantidade de poluentes adsorvidos nos sedimentos.
Uma das primeiras aplicações seguindo o enfoque compensatório foi a aplicação de
bacias de detenção para a atenuação das vazões de pico na macrodrenagem. Segundo Souza e
Goldenfum (1999), o emprego dessa solução é anterior ao conceito de solução compensatória,
propriamente dita. A literatura traz vários exemplos de aplicação dessas bacias em diversos
países como França, Inglaterra e Brasil (Nascimento et al., 1998).
Inicialmente, a função dessas bacias ou reservatórios de detenção era exclusivamente ocontrole da cheia à jusante de uma área, no sentido de promover a redistribuição temporal dos
fluxos e reduzir as vazões de pico a níveis pré-estabelecidos. Mais recentemente, tem se
buscado valorizar essas estruturas como equipamentos destinados a reduzir também os
impactos da poluição urbana, com a possibilidade de, se bem planejadas, servir para múltiplos
usos, como áreas de lazer, parques, dentre outros.
Entretanto, o ganho de experiência com a implantação de um grande número dessas
estruturas, sobretudo nos países desenvolvidos, apontou alguns inconvenientes. O controle no
nível da macrodrenagem envolve custos muito elevados, em função do tamanho da área de
contribuição, gerando estruturas de grandes dimensões.
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Além disso, há a possibilidade de ocorrência de problemas ambientais provocados pela
carga de lixo carreada para essas estruturas, sobretudo em áreas com alto grau de urbanização,
e pela interligação entre esgotos pluviais e sanitários. O aporte de cargas elevadas de
poluentes e sedimentos podem causar problemas de assoreamento e eutrofização. Essas
estruturas demandam, geralmente, maior tempo necessário para a implantação e a necessidade
de grandes áreas livres e com posicionamento adequado (Cruz et al., 1998).
Nascimento et. al., (1998), comentam que há grande risco de falência no emprego de
bacias de detenção em virtude da adoção de critérios inadequados de dimensionamento, da
carência de dados hidrológicos, da insuficiência de programas de monitoramento e de outros
condicionantes. Dessa falência pode resultar o descrédito em soluções compensatórias e, pior,
a persistência dos problemas de drenagem e poluição urbana.Mais recentemente, a tendência aponta para o uso de soluções de controle do tipo
distribuída. A idéia é atuar sobre o fluxo de origem, ou seja, sobre pequenas áreas
impermeáveis onde o escoamento é gerado inicialmente, de forma a recuperar mais
efetivamente os processos hidrológicos modificados pela urbanização.
2.4 Detenção na fonte
As estruturas de detenção na fonte trabalham no sentido de restaurar a capacidade de
armazenamento natural de uma área, perdida em virtude da urbanização. Em alguns casos,
estes elementos podem também facilitar a infiltração da água no solo, funcionando como
estruturas mistas.
Os dispositivos de detenção na fonte são constituídos por reservatórios aplicados no
lote que atuam no controle das vazões de saída limitando a vazão máxima a um determinadonível pré-estabelecido. Entretanto, o controle no lote permite a redução de apenas uma parte
dos impactos devido à urbanização, visto que ainda restam ruas, calçadas e áreas públicas
(Tassi, 2002). Mesmo assim, a redução das vazões de saída dos lotes poderá melhorar a
eficiência global no controle do escoamento superficial e permitir uma economia no sistema
de drenagem.
De forma geral, os reservatórios no lote podem ser aplicados tanto para recolher toda a
água gerada no lote como apenas a água gerada no telhado da edificação. A Figura 2.3 mostraum exemplo de detenção na fonte, utilizada para o monitoramento em São Carlos – SP.
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Figura 2.3 – trincheira pronta para o monitoramento. Fonte: Lima (2009).
A eficiência desses dispositivos tem sido estudada por diversos pesquisadores, tanto
em trabalhos experimentais como em trabalhos teóricos.
Costa Junior e Barbassa (2006) pesquisaram as possibilidades de aplicação de
microrreservatórios e pavimentos permeáveis em lotes localizados em sub-bacias
hidrográficas urbanas da Ponte Seca (SBHUPS), situadas em Jaboticabal – SP. Avaliaram
quantos lotes atendiam simultaneamente a aplicação das duas medidas de controle sob o ponto
de vista da aceitação dos moradores para a sua instalação, e de parâmetros relevantes e
apropriados à sua implantação (tipo de solo, nível freático, profundidade da camada
permeável, áreas livres, topografia e custos). Foram avaliados 164 lotes, com áreas variando
entre 160 e superiores a 1500m², tendo sido consideradas suas taxas de ocupação (TO) e taxa
de impermeabilização (TOI) sendo de mais de 80% a aceitação dos moradores para a
implantação das duas medidas, mesmo aqueles não atingidos por enchentes.
Campos (2008) analisou o comportamento hidrológico de lotes experimentais reais
submetidos a usos e ocupações diferenciadas. Para isto, foram implantados três lotes pilotos
com 360m² de área, sendo um lote mantido em condições naturais, sem qualquer edificação,
outro recebeu impermeabilização de 75% da área, e o terceiro, instalaram-se dois
microrreservatórios com volume útil de 1,5m². O autor observou pela análise visual dos
hidrogramas que a presença de mircorreservatório no lote sustentável abateu as vazões
consideravelmente em relação ao convencional, com consequente sensível redução do
coeficiente de escoamento superficial médio de 0,72 (lote convencional) para 0,10 (lote
sustentável). O tempo de retardamento do lote convencional foi aproximadamente um terço
do lote sustentável devido ao efeito dos microrreservatórios.
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2.4.1 Infiltração: trincheiras de infiltração, poços de infiltração e planos de
infiltração
O objetivo dos dispositivos de infiltração é criar espaços que favoreça a infiltração da
água da chuva no solo de forma a reduzir e retardar o escoamento pluvial. Uma das vantagens
com relação às detenções é a capacidade de reduzir tanto as vazões como os volumes
escoados superficialmente, podendo contribuir também para a retenção e controle de
poluentes e para recarga de águas subterrâneas. Por esses motivos, esses dispositivos são
capazes de recuperar de forma mais efetiva as condições naturais de pré-urbanização (Silva,
2006).
As trincheiras de infiltração são dispositivos de drenagem do tipo controle na fonte etêm seu principio de funcionamento no armazenamento da água por um tempo suficiente para
a sua infiltração no solo. Elas funcionam como um reservatório convencional de
amortecimento da infiltração de cheias, tendo um desempenho melhorado devido ao
favorecimento da infiltração e consequentemente redução dos volumes escoados e das vazões
máximas de enchentes Balades et. al., (1998), apud por Cruz, Araujo e Souza (1999). Na
Figura 2.4 está representada sua estrutura e esquema construtivo.
Figura 2.4 – Trincheira de infiltração de Schueler, segundo Cruz, Araújo e Souza (1999).
Embora esses elementos possuam eficiência comprovada no controle do escoamento
superficial, várias dificuldades ainda podem limitar seu uso. Pode-se destacar, por exemplo,
aspectos de planejamento e estratégia de implantação, como a exigência de poucos estudos
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sobre os custos de implantação, operação e manutenção que possibilitem a avaliação pelo seu
interesse econômico; ausência de indicações, parâmetros e critérios seguros para
dimensionamento e projetos dos dispositivos, levando ao uso de critérios conservadores e, por
consequência, ao superdimensionamento das estruturas (Souza, 2002). Cabe ressaltar que
essas dificuldades se estendem aos elementos de infiltração de forma geral.
Os poços de infiltração ocupam áreas relativamente pequenas e podem ser bem
integrados ao espaço urbano. É uma solução bastante apropriada para locais onde a camada de
solo superficial é pouco permeável, mas possui capacidade de infiltração significativa nas
camadas mais profundas. O inconveniente dessas soluções é a necessidade de manutenção
frequente para evitar redução de vida útil pelo processo de colmatação (Silva, 2006).
Segundo o autor, os planos de infiltração são, geralmente, áreas naturais, comogramados laterais, utilizados para a disposição da precipitação de uma área impermeável,
como residências ou edifícios. Essas áreas podem ficar submersas, caso a sua capacidade de
infiltração seja muito inferior à intensidade de precipitação. Cuidados devem ser tomados nos
casos em que o escoamento de contribuição transporta muito material fino, pois a capacidade
de infiltração pode ficar reduzida devido à colmatação, causando a falha da estrutura. A
Figura 2.5 exemplifica esses dispositivos.
Figura 2.5 – Plano de infiltração. Fonte: Milograna (2001).
Lima (2009) avaliou, para eventos de chuvas simuladas, o comportamento hidráulico
de uma trincheira de infiltração experimental instalada na EESC/USP e propôs uma novametodologia de dimensionamento para trincheiras de infiltração. Os resultados demonstraram
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que a trincheira de infiltração é eficiente, controlando 100% do volume escoado, mesmo para
chuvas com intensidades superiores aos projetos de microdrenagem. Verificou-se também que
o modelo de Green-Ampt, utilizado no estudo, ajustou-se bem ao processo de infiltração
horizontal. Portanto, a metodologia de dimensionamento proposta contribuiu de forma
eficiente e economicamente eficaz para o dimensionamento de dispositivos de infiltração.
2.4.2 Superfícies permeáveis
As superfícies permeáveis estão incluídas na modalidade de dispositivos de infiltração.
Elas consistem, geralmente, em estruturas simples sob o ponto de vista construtivo e sãodestinadas a reduzir diretamente a produção de escoamento pluvial, fazendo infiltrar parte da
chuva precipitada sobre sua superfície. As soluções podem aproveitar as próprias condições
naturais do solo local para promover a infiltração da chuva, ou serem providas de estruturas
construídas artificialmente (Silva, 2006).
O uso das superfícies permeáveis caracteriza-se por ser de fácil execução, pois inclui o
uso de várias alternativas, incluindo as estruturas formadas de material granular, superfícies
cobertas por vegetação, e, também, a aplicação de revestimentos permeáveis sob a forma de blocos modulares ou pavimentos permeáveis. Os avanços tecnológicos na produção desses
materiais e a boa integração ao ambiente urbano vêem impulsionando a sua utilização,
caracterizando-se como uma alternativa bastante atrativa.
A utilização de blocos modulares e pavimentos permeáveis constituem uma alternativa
onde a precipitação é desviada através de uma superfície permeável para camadas de solo
subjacentes. Geralmente, essas camadas subjacentes são compostas por uma camada de areia
sobreposta a uma camada de material granular, como brita. Essa última funciona como umreservatório de armazenamento. Quando esse reservatório é incluído na estrutura do
revestimento, ele é dimensionado para acomodar o volume de escoamento de uma chuva de
projeto menos o volume infiltrado durante a chuva (Silveira, 2003). A Figura 2.6 mostra a
utilização de superfícies permeáveis em estacionamentos.
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Figura 2.6 – Superfície de blocos vazados utilizada em um estacionamento da Universidade
Federal de Mato Grosso (UFMT).
Os pavimentos permeáveis são divididos, normalmente, em duas modalidades: asfalto
poroso e concreto poroso (Urbonas; Stahre, 1993). Esses materiais apresentam características
construtivas semelhantes ao pavimento convencional. A diferença está na eliminação do
material fino da sua composição.
Os revestimentos modulares são compostos por blocos individuais fabricados
normalmente em concreto com diversas formas geométricas, podendo ser completamente
maciços ou possuir uma área vazada. Estes, por sua vez, podem ter a sua área vazada
preenchida com areia, pedregulho ou vegetação rasteira.
As superfícies permeáveis diferenciam-se dos pavimentos permeáveis pela ausência
dos reservatórios de pedra. A capacidade de infiltração das superfícies permeáveis tende a ser
menor do que os pavimentos permeáveis, e elas são dependentes da boa condição para
infiltração do solo no local. Urbonas e Stahre (1993) alertam para o cuidado com tráfego pesado sobre os pavimentos de blocos de concreto vazados preenchidos com material
granular, pois segundo estes autores, alguns blocos podem afundar e se alinhar de forma
errada. A Figura 2.7 apresenta o detalhe da estrutura.
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Figura 2.7 – pavimento permeável. Fonte: Urbonas e Stahre (1993).
Alguns benefícios provenientes da utilização de superfícies permeáveis são: redução
considerável da vazão e do volume escoado sobre revestimentos pavimentados; possibilidade
de serem utilizados em áreas já urbanizadas; diminuição da dimensão do sistema de drenagem
pluvial; dentre outras. Urbonas e Stahre, (1993) enfatizam que o uso de revestimentos
permeáveis constitui uma forma de sistema de drenagem urbana sustentável, que permite
atenuar o pico do escoamento superficial enquanto preserva o valor da área urbanizada.Vários trabalhos foram realizados no Brasil nos últimos anos, de modo a avaliar o
comportamento destas estruturas face ao seu funcionamento. Na maioria das vezes, observa-
se a boa eficiência global desse tipo de solução, mostrando ser essa uma solução viável para o
controle do escoamento na fonte. Em seguida os resultados de alguns trabalhos desenvolvidos
são descritos com maiores detalhes.
Silva e Campana (2004) realizaram ensaios preliminares em superfícies com grama e
blocos vazados. As parcelas tinham dimensões de 1,95m de comprimento por 1m, com
declividade de 4%. Em um evento em 07/02/2004 com precipitação média de 0,26mm/min, o
coeficiente de escoamento para o bloco vazado foi de 0,01 e para a grama de 0,003. Estes
valores indicam uma enorme eficiência dessas superfícies para o controle de escoamento
superficial. Entretanto, deve-se ressaltar que nesses experimentos as superfícies não sofreram
efeitos de compactação e colmatação.
Acioli et al., (2003) apresentaram os resultados de seis meses de monitoramento de
uma área de estacionamento com 260m² na cidade de Porto Alegre, Brasil, construída com
dois tipos de revestimentos permeáveis: asfalto poroso e blocos vazados de concreto. Cada
tipo de revestimento foi construído sobre um reservatório de pedras. O monitoramento
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permitiu analisar o volume escoado superficialmente e o armazenamento no reservatório. Os
resultados obtidos apontaram para o bom desempenho hidráulico de ambos os pavimentos,
com valores baixos de escoamento superficial e armazenamento máximo no reservatório,
apesar da baixa capacidade de infiltração do solo subjacente. Para uma precipitação total
observada de 115mm e 59 minutos de duração, o pavimento de asfalto poroso apresentou um
valor de coeficiente de escoamento de 0,07, enquanto que para o revestimento com blocos
vazados esse valor foi de 0,09. Verificaram-se, entretanto, valores baixos para taxas de
infiltração no solo subjacentes, não ultrapassando 4mm/h.
Moura (2005) realizou estudos em parcelas experimentais com o objetivo de avaliar e
medir o escoamento superficial e a taxa de infiltração observada em três tipos de superfícies
permeáveis, além de uma análise comparativa do desempenho dessas superfícies com relaçãoà superfície gramada tomada como referência. Os resultados obtidos mostraram que o chão
batido fez com que o coeficiente de escoamento aumentasse quase quatro vezes em relação à
superfície gramada. Quanto aos blocos maciços, o impacto no escoamento chegou a ser de
quase seis vezes o da superfície gramada e após a colmatação por sedimentos e a passagem de
veículos, a infiltração para as superfícies de blocos maciços e vazados sofreu significativa
redução a ponto de aumentar em quase sessenta vezes o coeficiente de escoamento
superficial.Silva (2006) apresentou um estudo experimental com o objetivo de verificar a
eficiência de diferentes tipos de superfícies permeáveis em relação ao controle na geração do
escoamento superficial. Quatro tipos de superfícies foram avaliados, com destaque para duas
alternativas de revestimentos permeáveis: superfície com grama, solo exposto, revestimento
com blocos de concreto maciços, revestimento com blocos de concreto vazados. Os resultados
mostraram uma eficiência expressiva do revestimento com blocos vazados (com coeficientes
de escoamento inferiores a 0,35), mesmo com a compactação do seu substrato e aumento dadeclividade longitudinal. Por outro lado, a superfície com blocos maciços apresentou uma
redução significativa de eficiência com a compactação do substrato e aumento da declividade.
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2.5 Considerações teóricas
2.5.1 Infiltração de água no solo
A infiltração é definida como a entrada de água no solo através da interface solo-
atmosfera. O termo taxa de infiltração refere-se à quantidade de água que atravessa a unidade
de área da superfície do solo por unidade de tempo. Durante o processo de infiltração, estando
o solo inicialmente seco, a taxa de infiltração tende a decrescer com o tempo, atingindo um
valor final constante (Bernardo 2006). Esse valor constante, denominado de taxa de
infiltração estável, é um importante atributo para a elaboração de projetos de irrigação, de
drenagem, conservação do solo, entre outros. No entanto, conforme relatam Urchei e Fietz(1999), seu valor geralmente apresenta grande variabilidade, o que pode implicar em
problemas, sobretudo quando é adotado um valor não representativo da área de interesse. As
principais causas dessa variabilidade estão relacionadas às propriedades do solo e da água,
além do método utilizado para sua determinação.
A taxa de infiltração é definida como a taxa de variação da infiltração acumulada ao
longo do tempo, sendo representada pela equação 2.1.
= (2.1)
Em que:
= taxa de infiltração da água no solo, LT-1, = infiltração acumulada, L, = tempo, T.
Assim, a partir de dados de lâmina de água infiltrada em intervalos de tempos
conhecidos, determinados no campo para as condições desejadas é possível construir modelos
de I em função de .A redução da taxa de infiltração com o tempo pode ser compreendida a partir da
aplicação da equação de Darcy às condições de escoamento em meio não saturado, como
mostrado na Equação 2.2.
= − ( + ) (2.2)
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Em que:
= densidade de fluxo LT-, = condutividade hidráulica do solo para um teor de umidade, LT-, = potencial matricial da água no solo, L-, = potencial gravitacional da água no solo, L;
No inicio do processo, o valor da profundidade da frente de umedecimento é pequeno.
Desta forma, o valor resultante do gradiente hidráulico será muito elevado e, portanto, uma
taxa de infiltração alta. Com o tempo, o valor de Z vai aumentando até que, para elevados
tempos após o inicio do processo de infiltração, o valor do gradiente + / vaitendendo a 1 e, consequentemente, a taxa de infiltração tende a um valor aproximadamente
igual à condutividade hidráulica do solo saturado.
A estimativa da taxa de infiltração no solo é condicionante para determinar a
repartição da precipitação em infiltração e escoamento superficial, a celeridade de penetração
da frente de umedecimento no solo e a lâmina em projetos de irrigação (Lima e Silans, 1999).
Segundo Cabena (1984) a taxa de infiltração de água no solo é talvez, isoladamente, a
propriedade que melhor reflete as condições físicas gerais do solo, sua qualidade e
estabilidade estrutural.O conceito de capacidade de infiltração deve ser aplicado no estudo da infiltração para
distinguir a potencialidade que o solo tem de absorver água pela superfície da taxa real de
infiltração (Silveira; Louzada; Beltrame, 2000). Segundo Villela e Mattos (1975) e Hillel
(1980) a capacidade de infiltração de água representa a vazão máxima por unidade de área e
por unidade de tempo capaz de atravessar a superfície do solo caso um excesso de água fosse
aplicado. Para Costa et al. (1999), das características do solo, a capacidade de infiltração é
uma das principais, pois reflete a capacidade máxima que o solo tem em permitir a entrada deágua no seu interior, sob determinadas condições, tornando-se um dos parâmetros mais
importantes que afetam a irrigação.
Quando uma precipitação atinge o solo com intensidade menor que a capacidade de
infiltração, toda água infiltra no perfil do solo a uma taxa igual à intensidade da precipitação,
causando uma redução progressiva na capacidade de infiltração devido ao umedecimento do
solo. Persistindo a aplicação de água, a partir de um tempo t = tp (tempo de empoçamento), a
taxa de infiltração passa a se processar nas mesmas taxas da curva de capacidade de
infiltração, passando a decrescer com o tempo, tendendo para um valor aproximadamente
constante após longo período de tempo, caracterizado como a condutividade hidráulica do
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solo saturado (K 0), caso não haja aprisionamento de ar nos poros do solo, também
denominada de taxa de infiltração estável (Figura 2.8) (Pruski et al., 1997; Brandão et al.,
2006). Dados de taxa de infiltração estável são imprescindíveis nos modelos utilizados para a
descrição da infiltração de água no solo (Alves Sobrinho et al., 2003).
Figura 2.8 - Curva representativa da capacidade de infiltração (CI) e da taxa de infiltração (Ti)
em função do tempo sob condições de precipitação constante (ip); Ko equivale à taxa de
infiltração estável e tp é o tempo de empoçamento da água na superfície do solo.
2.5.2Modelos de Infiltração
Existem diversos modelos que procuram descrever a infiltração através do tempo.
Entre os principais modelos existentes, têm-se os de Horton e Philip, que são equações para
cálculo da infiltração pontual. O modelo de Horton apresenta três parâmetros empíricos, que
são mostrados na equação 2.3.
= + − . − (2.3)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
I n f i l t r a ç ã o
Tempo
Tempo de Empoçamento (tp) Taxa de Infiltração Estável (Tie)
Capacidade de Infiltração (CI) Regime de precipitação contante (ip)
Taxa de Infiltração (Ti)
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Em que:
= capacidade de infiltração no tempo t (mm/h), = capacidade de infiltração final (mm/h), = capacidade de infiltração inicial (mm/h), = constante que representa a taxa de decréscimo na capacidade (L/h), = tempo decorrido (h);
A aplicação do modelo de Horton só é possível quando a intensidade de precipitação
se apresentar superior à capacidade de infiltração da superfície. Os parâmetros , e devem ser determinados usando-se dados observados de infiltração (Rawls et al., 1993).
O modelo de Philip é o resultado da resolução analítica da equação de Richards, tendocomo resultado a Equação 4.
= 12 −1
2 + (2.4)
Em que:
= infiltração no tempo t (mm/h),
= parâmetro de absorção do solo (mm/h1/2
), = condutividade hidráulica (mm/h), = tempo decorrido (h);
A equação de Philip tem embasamento físico e um dos possíveis métodos para se
determinar os parâmetros e realizam-se ensaios de campo com infiltrômetros (Righetto,1998).
2.5.3 Métodos para determinação da infiltração de água no solo
Existem diversos métodos para a determinação da infiltração de água no solo. Dentre
eles, destacam-se os infiltrômetros de aspersão ou simuladores de chuva (Alves Sobrinho,
1997), os infiltrômetros de cilindros concêntricos (Bernardo, 2006), os permeâmetros
(Reynolds; Vieira; Topp, 1992), os infiltrômetros de tensão ou permeâmetros de disco (Borges
et al., 1999), os infiltrômetros de pressão Reynolds; Vieira; Topp, 1992).
Métodos que não consideram o impacto da gota da chuva podem superestimar a
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infiltração da água, gerando problemas de erosão do solo. Em geral, quando se utiliza o
infiltrômetro de aspersão para determinação da infiltração de água no solo, são menores os
valores estimados para a taxa de infiltração estável em relação aos obtidos com métodos (Pott;
De Maria, 2003).
A determinação da infiltração de água no solo deve ser feita por métodos simples e
capazes de representar, adequadamente, as condições em que se encontra o solo. Para tanto,
torna-se necessário adotar métodos, cuja determinação baseia-se em condições semelhantes
àquelas observadas durante o processo pelas condições de superfície e conteúdo de umidade
do solo (PRUSKI et al., 1997).
2.5.4 Simulador de chuvas
Infiltrômetros de aspersão ou simuladores de chuva são ferramentas de pesquisa
projetadas para aplicar precipitações de água de forma similar às chuvas naturais. Contudo, as
características da chuva devem ser simuladas adequadamente, os dados de escoamento
superficial analisados cuidadosamente e os resultados, interpretados de maneira sensata, para
que sejam obtidas, informações de confiança para as condições em que as chuvas simuladassão aplicadas (Silveira; Salvador, 2000).
A estimativa da taxa de infiltração estável, através do uso de chuva natural, é onerosa e
demorada. Em decorrência disso, a pesquisa na área de engenharia e conservação do solo e da
água, enfatiza o uso de equipamentos denominados infiltrômetros de aspersão ou simuladores
de chuva, que permitem controlar as características relativas à intensidade, duração e
frequência da precipitação para se medir a infiltração no campo e ajustar modelos
matemáticos que descrevem a infiltração de água em diferentes condições de solo e/ousistemas de cultivo (Panachuki, 2003).
Segundo Moore, Hirschi e Barfield, (1983), o simulador de chuvas deve permitir o
ajuste das características da precipitação, ou seja, intensidade e duração. Para isso, deve
permitir o ajuste de uma ampla faixa de intensidades de precipitação de modo a reproduzir as
características da chuva da região geográfica em questão.
Para que um infiltrômetro tipo simulador de chuvas seja considerado satisfatório, é
necessário que ele preencha às seguintes condições:
a) apresentar relação entre a energia cinética da precipitação simulada e aquela
chuva natural acima de 75% (Meyer; Mccune, 1958);
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b) aplicar água de modo contínuo na parcela experimental ou, no mínimo,
executar duas aplicações por segundo, compondo assim uma aplicação não
intermitente (MORIN; VAN WINKEL., 1996);
c) permitir o uso de parcela experimental com área superior a 0,50m²,
caracterizada como parcela alvo de precipitação, pois experimentos cuja área
útil é inferior a 0,50m² estão sujeitos a resultados tendenciosos (SMITH, 1976).
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3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo geral
Este trabalho tem como objetivo avaliar experimentalmente e comparar a eficiência de
superfícies na redução do escoamento superficial na fonte.
3.2 Objetivos específicos
Determinar a taxa de infiltração estável (Tie) e tempo de empoçamento (ti) nos cincotipos de revestimentos estudados;
Aplicar o modelo teórico de Horton aos dados observados;
Determinar o escoamento superficial e o coeficiente de escoamento nos cinco tipos de
revestimentos estudados;
Analisar a influência da intensidade e do tempo da precipitação sobre o escoamento
superficial em diferentes tipos de superfícies permeáveis;
Comparar os valores de coeficiente de escoamento com a literatura;
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4. MATERIAL E MÉTODOS
O trabalho envolveu a construção de uma unidade experimental constituída por quinze
módulos de 0,7m², sob os quais foram realizadas chuvas artificiais com simulador. As parcelas
construídas representam cinco tipos diferentes de revestimentos.
O comportamento hidrológico dos dispositivos implantados foi analisado por meio de
balanço hídrico obtido entre o volume precipitado e a estimativa da vazão escoada
superficialmente, o que permitiu realizar a análise da taxa de infiltração.
O estudo experimental envolveu, fundamentalmente, o desenvolvimento de cinco
etapas, executadas na seguinte sequência:
Delineamento das superfícies a serem estudadas; Escolha do local de implantação da unidade experimental na área de estudo;
Construção da unidade experimental;
Calibração do equipamento simulador de chuvas;
Realização dos testes.
Os itens seguintes descrevem em detalhes as etapas desenvolvidas.
4.1 Delineamento das superfícies estudadas
O trabalho envolveu o estudo de cinco tipos diferentes de superfícies: (i) blocos de
concreto vazados; (ii) blocos de concreto maciços; (iii) concreto convencional; (iv) solo
exposto; (v) solo gramado.
i.
Blocos de concreto vazados: foram construídas três parcelas revestidas com blocos deconcreto vazados preenchidos com material granular (areia), com declividade de 2 %.
O material utilizado é constituído de blocos de concreto industrializados tipo bujão
com seis centímetros de espessura, o qual permite a infiltração da água pelo orifício
que se forma após a sua instalação.
ii. Blocos de concreto maciços: foram construídas três parcelas revestidas com blocos de
concreto maciços preenchidos com material granular (areia), com declividade de 2 %.
O material utilizado é constituído de blocos de concreto industrializados tipo prisma
com seis centímetros de espessura, são intertravados de forma a permitir a infiltração
da água apenas pelas juntas existentes entre os blocos.
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iii. Concreto convencional: foram construídas três parcelas com blocos de concreto
maciços revestidas com concreto convencional de cimento, areia e brita, com
declividade de 2%.
iv. Solo exposto: foram construídas três parcelas com solo exposto sob condições normais
de compactação